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有关碳化硅SiC MOSFET八大技术问题详解
来源: | 作者:张工 | 发布时间: 2025-03-05 | 84 次浏览 | 分享到:
本文摘自网络,供读者赏析!

Q1:英飞凌的SiC MOS不需要负压吧?

如果单纯从抑制寄生导通的角度看,对于一个设计良好的电路,英飞凌SiC MOSFET是不需要用负压关断的。但是负压对关断损耗有影响。

SiC MOSFET的Vgs负压对Rdson和Esw的影响

Vgs负压不同,其Rdson不变;Vgs负压越低,其Esw越低(Eoff)。同样,我们看下不同Vgs负压的仿真结果,如图4和图5所示:


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图4.不同Vgs负压(Vgs=0V和-3V),对SiC开关特性的影响(25C)


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图5.不同Vgs负压(Vgs=0V和-3V),对SiC开关特性的影响(25C)

因此,如果选择Vgs=-3V关断,对于SiC的Rdson无所助益,但是对关断损耗Eoff的减小还是比较明显的,尤其对一些只有关断损耗Eoff的场合收益明显。同时选择Vgs=-3V对降低开通时刻的寄生导通风险也是立竿见影。

Q2: SiC MOSFET的栅极氧化层为什么容易失效,有什么优化的方案?

大量的栅极氧化层早期失效多年来一直在阻碍SiC MOSFET的商业化进程,并引发出对SiC MOS开关能否像Si技术一样可靠的怀疑。过去十年里,SiC技术已发展得基本成熟,SiC MOS器件的栅极氧化层可靠性已逐步取得改进。这为它们成功地进入大众市场打开了大门。

在栅极氧化层可靠性领域,可以重复使用Si技术的许多专业知识。例如,事实表明,SiC器件上的SiO2的物理击穿场强与Si器件上的SiO2相似(即使不相同)。这意味着,在SiC上制取的SiO2的整体击穿稳定性与在Si上制取的SiO2一样好。SiC MOSFET的栅极氧化层可靠性之所以不如Si MOSFET,是由“外在”的缺陷导致的。外在的缺陷是指栅极氧化层发生细微的变形,致使局部氧化层变薄,如图1所示。


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图1. SiO2的外在缺陷示意图。

外在缺陷可以是由氧化层变形(因为EPI或衬底缺陷)等原因导致的物理氧化层变薄,也可以是由介电场强降低(因为含有金属杂质、颗粒或孔隙)导致的电气氧化层变薄。有些变形可能源自于EPI或衬底缺陷、金属杂质、颗粒,或在器件制造过程中掺入到栅极氧化层中的其他外来杂质。

Q3:如何提高碳化硅MOSFET的可靠性与寿命?

SiC能使用硅器件的许多著名概念和工艺技术,其中包括基本的器件设计,如垂直型肖特基二极管或垂直型功率MOSFET。因此,用于验证硅器件长期稳定性的许多方法可以直接用到SiC上。但更深入的分析表明,基于SiC的器件还需要进行一些不同于Si器件的额外可靠性试验。这是因为:

■ SiC材料本身具有的特定缺陷结构、各向异性、机械性能和热性能等

■更大的带隙及其对MOS器件的界面陷阱密度和动力特性的影响

■材料本身及器件终端在运行中高达10倍的电场强度,以及高电场强度对氧化层寿命的影响

■高压运行(VDS>1000V)与快速开关(> 50V/ns)相结合的新运行模式

Q4:电荷集中在沟槽附近,特别是弯曲率高的地方,英飞凌做了什么补救措施?

英飞凌采用非对称沟槽栅结构,沟槽的一侧设有深P阱,P阱包围沟槽倒角,可以大大舒缓电场在沟槽倒角处的聚集。


Q5:碳化硅阈值电压漂移的问题怎么解决的?

阈值漂移,本质上是栅极氧化层中的缺陷,捕获了不该属于它的电子,氧化层中电子日积月累,就会造成阈值降低。所以要规避这种现象,芯片设计中要改善氧化层的质量。M1H就是改善了氧化层的质量,实现了方形门极电压操作曲线,也就是说不管什么开关频率,都可以使用负压下限-10V了。


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Q6:1700V的SiC管子都能做到12V驱动电压了,如何能做到这么低还保证阈值电压的呢?

目前英飞凌1700V SiC MOSFET主要面向应用是辅助电源,12V驱动电压主要是为了和大部分反激式控制器兼容。也可以采用15V的驱动电压主,如果用15V驱动,导通损耗会更低。

Q7:Cox是什么电容,和cgs,cgd有啥关系?

下图是IGBT内部的寄生电容示意图,MOSFET同理。可以看到Cox是多晶硅栅极对衬底的电容,以栅极氧化层为介质,包括下图中的C2,C3,C4。其中,C3,C4是输入电容Cge的一部分,C2是Cgc的一部分。沟道电阻的公式中出现的Cox特指C3。


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Q8:动态HTGB和稳态HTGB对比,哪一个更严格?

如果动态HTGB是指GSS-Gate switching stress,那么GSS与HTGB考查的是不同维度的内容,GSS考查的是SiC MOSFET在多次开关周期后阈值的漂移程度,而HTGB考查的是长期的栅极偏压应力下栅氧化层的退化程度。两者对于评估SIC MOS的可靠性来说都是不可或缺的,不存在哪一个更严格。

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