隨著電子設(shè)備的不斷發(fā)展，功率器件的溫度參數(shù)成為了一個非常重要的研究領(lǐng)域。薩米特拉·賈格代爾將分析三種常見的功率器件材料：硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的溫度參數(shù)。

1、Si 系列功率器件

硅（Si）是目前最常用的功率器件材料之一。它具有良好的熱傳導(dǎo)性能和穩(wěn)定的電特性，廣泛應(yīng)用于各種功率電子設(shè)備中。然而，硅的主要缺點是其低功率密度和較高的導(dǎo)通損耗。在高溫環(huán)境下，硅材料的導(dǎo)通電阻會增加，導(dǎo)致功率器件的效率下降。

Si 功率 MOSFET 和 SuperJuction 功率 MOSFET (CoolMOS)：高壓 Si 功率 MOSFET 采用 D-MOSFET 結(jié)構(gòu)。主要電阻包括源極接觸 (RCS)、源極區(qū) (RN+)、溝道 (RCH)、累積 (RA)、JFET (RJFET)、漂移區(qū) (RD)、N+ 襯底 (RSUB) 和漏極接觸 (RCD)。對于 1000V Si MOSFET，RD 和 RCH 占主導(dǎo)地位，隨溫度變化。它們的溫度依賴性取決于電阻率 (ρ) 和電子遷移率 (μ)。通道長度 (LCH) 和單元長度 (Z) 很重要。閾值電壓 (Vth) 取決于 P 區(qū)摻雜 (NA)、氧化物電容 (Cox) 和電荷 (Qox)。由于其基于 ln 的作用，本征載流子濃度 (ni) 對 Vth 產(chǎn)生反向影響。柵源等效阻抗包括內(nèi)阻(Rg,int)，柵極電容包括CGN+和CGP，分別連接到N+和P區(qū)域，

圖 1 Si MOSFET 柵極到源極的等效阻抗電路。

另一方面，CoolMOS是通過引入垂直PN結(jié)來增強平面DMOS結(jié)構(gòu)的器件。與傳統(tǒng)功率 DMOS 設(shè)計相比，其漂移區(qū)摻雜濃度更高，可降低導(dǎo)通電阻 (Rds,on)。電阻組件包括源極觸點、源極區(qū)、溝道、累積區(qū)、漂移區(qū) 1 和 2、N+ 襯底和漏極觸點，而 Vth 和 Rg,int 仍類似于 Si MOSFET。

Si IGBT：現(xiàn)代高壓Si IGBT 采用場截止溝槽柵極結(jié)構(gòu)。通態(tài)壓降包括VP+N（P+集電極/N基極結(jié)）、VNB（考慮高電平注入效應(yīng)的N基極區(qū)壓降）和VMOSFET（MOSFET部分壓降）。Si IGBT 與 Si D-MOSFET 具有相同的 Vth 和 Rg,int，但溝槽柵極不同。

2、SiC 系列功率器件

碳化硅（SiC）是一種新興的功率器件材料，具有優(yōu)異的熱導(dǎo)性能和高能隙寬度。相比硅，SiC材料具有更高的擊穿電場強度和導(dǎo)通電阻，可以實現(xiàn)更高的功率密度和更低的導(dǎo)通損耗。此外，SiC材料的導(dǎo)熱性能也更好，可以在高溫環(huán)境下工作。因此，SiC功率器件在高溫、高頻和高功率應(yīng)用中具有巨大的潛力。

? SiC MOSFET：目前，SiC 功率器件主要采用平面柵極配置，少數(shù)采用溝槽柵極設(shè)計。雖然它們的 Ron 和 Vth 方程類似于 Si MOSFET，但它們在材料相關(guān)參數(shù)方面有所不同。值得注意的是，SiC MOSFET 的溝道遷移率隨溫度升高而升高，而 Si MOSFET 的溝道遷移率會降低。兩種器件的漏極遷移率均隨溫度升高而降低。與 Si 不同，SiC 由于注入而經(jīng)歷了最小的摻雜劑擴散。

? SiC JFET：SiC JFET 目前大多采用溝槽柵極設(shè)計，與 SiC MOSFET 不同。由于其常開特性，它們的 Ron 缺乏 SiC MOSFET 中的累積電阻 (RA)。溝道在沒有柵極偏置的情況下保持導(dǎo)電。柵源等效阻抗包括溝道電阻(RCH)。電容 CP+N- 和 CN+P+ 分別存在于 P+ 和 N- 區(qū)域之間以及 P+ 和 N+ 區(qū)域之間，如圖 2 所示。

圖 2 SiC MOSFET 柵極到源極的等效阻抗電路。

3、耗盡型 GaN 功率器件和增強型 GaN 功率器件

耗盡型 GaN 功率器件通常與低壓 Si MOSFET 級聯(lián)。它們的特性（例如 Rg,int 和 Vth）類似于 Si MOSFET。GaN HEMT 的 Ron 由 LD（柵漏間距）和 ns（二維電子密度）描述。

另一方面，增強型GaN功率器件使用柵極耗盡區(qū)。該設(shè)計確保器件在沒有柵極電勢的情況下保持關(guān)閉狀態(tài)，從而消除了通過 2D 電子氣的漏極-源極連接。

表征方法和結(jié)果

? Rg,int 特性：圖3 顯示了供應(yīng)商C 的SiC MOSFET 在5~100MHz 范圍內(nèi)的整體阻抗。可以看出，在 27.5MHz 時，阻抗曲線反映了串聯(lián)電阻 (Rg)。供應(yīng)商 A 的 Si MOSFET 和 Si IGBT 表現(xiàn)出與溫度相關(guān)的 Rg 行為：增加直至大約 75°C，然后下降。同時，與供應(yīng)商A的Si MOSFET和Si IGBT相比，供應(yīng)商D的SiC JFET表現(xiàn)出明顯較差的Rg特性。這阻礙了其作為熱傳感元件（TSEP）的可行性。

圖3 SiC MOSFET的Tj-阻抗關(guān)系

? 通態(tài)電阻(Ron) 特性：圖4 顯示1200V Si MOSFET 的Ron 最高為80 歐姆，而其他6 種器件的Ron 低于1 歐姆。其中，650V CoolMOS 的 Ron 最大，而 650V eGaN HEMT 的 Ron 最小。CoolMOS 在 0.6 歐姆/°C 時表現(xiàn)出最高的 Tj 系數(shù)，而 GaN HEMT 共源共柵在 0.2 歐姆/°C 時表現(xiàn)出最低 Tj 系數(shù)。此外，所有器件的 Ron 的 Tj 系數(shù)范圍約為 0.4~0.6 歐姆/°C。

圖 4 不同 Tj 下的 6 個器件及其 Ron。

? 閾值電壓(Vth) 表征：閾值電壓(Vth) 評估是在除SiC JFET（保持常開狀態(tài)）之外的各種器件上進行的。在本次評估中，柵極和漏極被短路。圖 5 顯示了 GaN HEMT 共源共柵 Vth 測量的 Ids-Vgs 曲線特寫。在寬帶隙 (WBG) 器件中，SiC MOSFET 表現(xiàn)出最低的 Vth，約為 11.2V。測試的 eGaN HEMT 緊隨其后，顯示出隨溫度變化的波動，不適合 TSEP。來自同一制造商的另一款 100V eGaN HEMT 具有線性 Tj 系數(shù)，GaN HEMT 共源共柵的 Vth 為 2.22.4V，主要由低壓 Si MOSFET 決定。

圖 5 用于測量 Vth 的 Ids-Vds 特征曲線。

我們進行了一項實驗，研究不同 Si、SiC 和 GaN 功率器件中的三種 TSEP——內(nèi)柵電阻 (Rg,int)、通態(tài)電阻 (Ron) 和閾值電壓 (Vth)。

與 Si 相比，Ron 和 Vth 對于寬帶隙 (WBG) 器件表現(xiàn)出更有利的溫度系數(shù)。然而，將它們用作 WBG 應(yīng)用的 TSEP 需要增強的傳感技術(shù)和更高的采樣率（由于更快的開關(guān)）。Rg,int 的溫度系數(shù)在制造商之間差異很大，并且僅與少數(shù)器件相關(guān)，因此在其應(yīng)用中需要仔細考慮。