摘要

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiCMOSFET)凭借其高耐压、高开关频率、高温工作能力等优势，在新能源汽车、轨道交通、智能电网等高压大功率应用领域展现出巨大潜力。然而，其短路耐受能力是影响系统可靠性的关键指标之一。阈值电压作为MOSFET的核心参数，其稳定性对器件动态特性至关重要。在实际应用中，SiCMOSFET的阈值电压易受偏置温度不稳定性、沟道界面陷阱等因素影响而发生漂移。本文系统研究了阈值电压漂移对SiCMOSFET短路特性的影响机理。通过理论分析阈值电压变化对短路电流、短路能量、结温温升等关键参数的作用规律，并结合实验测试与仿真验证，揭示了阈值电压正向漂移与负向漂移对短路耐受时间及失效模式的差异化影响。研究结果表明，阈值电压的正向漂移会显著降低短路电流峰值，但同时可能因导通电阻增加导致热稳定性恶化;而负向漂移则使短路电流增大，加剧瞬时热冲击，缩短耐受时间。该研究为评估阈值电压不稳定性对SiCMOSFET可靠性的影响提供了重要依据，并对器件设计优化与系统保护策略的制定具有指导意义。

关键词：碳化硅MOSFET；阈值电压漂移；短路特性；短路耐受时间；可靠性；偏置温度不稳定性

一、引言

以碳化硅为代表的宽禁带半导体器件，正推动着电力电子技术向高效率、高功率密度、高温方向变革。与传统的硅基绝缘栅双极型晶体管相比，SiCMOSFET具有导通电阻低、开关速度快、高温特性好等显著优点，非常适用于高频、高效的电能变换场合。然而，在实际应用尤其是电机驱动、不间断电源等系统中，功率器件面临短路故障的严峻考验。短路耐受能力是衡量器件鲁棒性、确保系统安全的关键参数之一。

SiCMOSFET的短路过程是一个极其复杂的电热耦合动态过程。当栅源极施加正常驱动电压，而漏源极承受高总线电压时，器件会瞬间进入饱和区，产生巨大的短路电流。在数微秒至数十微秒的短时间内，巨大的功率耗散会使芯片结温急剧升高直至超过材料极限，导致器件永久性失效。短路耐受时间(SCWT)定义为从短路发生到器件失效所经历的时间，是评估短路能力的主要指标。

阈值电压是决定MOSFET导通与关断状态的门槛电压，其稳定性直接影响器件的静态与动态性能。然而，由于SiC/Si02界面存在较高的界面态密度，以及栅氧层在电、热应力作用下的不稳定性，SiCMOSFET的阈值电压在实际工作中容易发生漂移。这种漂移现象主要包括正偏置温度不稳定性(PBTI)导致的阈值电压正向漂移(增大)和负偏置温度不稳定性(NBTI)导致的负向漂移(减小)。阈值电压的漂移，即使是几十毫伏的变化，也会显著改变器件的导通特性和短路行为。

目前，针对SiCMOSFET短路可靠性的研究多集中于结构优化、工艺改进以及外部电路保护策略等方面，而关于器件参数本身(特别是阈值电压)的漂移对短路特性影响机理的系统性研究尚不充分。阈值电压的漂移是一个长期、渐变的退化过程，其累积效应如何影响突发性短路事件的后果，是评估器件全生命周期可靠性的重要课题。因此，深入研究阈值漂移对SiCMOSFET短路特性的影响，对于准确预测器件在复杂工况下的失效风险、优化系统保护设计、提升整体可靠性具有重要的理论价值和工程指导意义。

二、阈值电压漂移机理及其对静态参数的影响

1.SiCMOSFET阈值电压漂移机理

阈值电压漂移主要源于栅氧层及其与SiC衬底界面的电荷俘获与释放过程。

*正偏置温度不稳定性:当栅极施加正偏压且处于较高温度时，电子从沟道注入栅氧层，被氧空位等陷阱捕获，形成正电荷积累。这些正电荷会抵消部分栅压，导致需要更高的栅压才能形成反型层，表现为阈值电压正向漂移。

*负偏置温度不稳定性:当栅极施加负偏压且处于高温时，可能导致界面处Si-H键断裂，产生界面态，同时空穴也可能被捕获，共同作用引起阈值电压负向漂移。界面态密度高是SiCMOSFET的固有挑战，使其阈值电压不稳定性比硅基MOSFET更为显著。

2.阈值电压漂移对静态参数的影响

阈值电压是决定转移特性和输出特性的核心参数。

*对转移特性的影响:阈值电压正向漂移会使转移特性曲线向右平移，在相同栅源电压下，漏极电流减小。负向漂移则使曲线左移，相同栅压下漏极电流增大。

*对导通电阻的影响:导通电阻由沟道电阻、JFET区电阻、漂移区电阻等部分组成。阈值电压正向漂移会导致沟道反型层电子浓度降低，沟道电阻显著增加，从而使总导通电阻增大。负向漂移的影响则相反。

三、阈值电压漂移对短路特性的影响机理分析

短路过程可分为几个阶段，阈值电压漂移通过影响各阶段的电热行为，最终改变短路耐受能力。

1.对短路电流峰值的影响

短路瞬间，器件工作点从截止区迅速进入饱和区。此时的饱和漏极电流可由下式近似描述:Id_sat=u_n*C_ox*W/(2L)*(V_gs-V_th)^2其中，u_n为电子迁移率，C_ox为单位面积栅氧电容，W/L为沟道宽长比,V_gs为栅源电压，V_th为阈值电压。

*阈值电压正向漂移:由公式可知，(V_gs-V_th)项减小，导致饱和漏极电流Id_sat的平方项显著下降。因此，短路电流的峰值会明显降低。

*阈值电压负向漂移:(V_gs-V_th)项增大，导致短路电流峰值升高。短路电流峰值直接影响短路初始阶段的功率耗散密度。峰值电流降低，意味着初始发热率下降，从热积累角度看似乎有利。

2.对短路过程中电流衰减行为的影响

短路开始后，由于结温急剧上升，载流子迁移率下降(phonon scattering加剧)，以及可能发生的载流子速度饱和效应，短路电流会从峰值逐渐衰减。

*阈值电压正向漂移:一方面，初始电流峰值低，温升速率相对较慢。但另一方面，阈值电压升高意味着器件的有效栅压驱动能力减弱，使其更容易进入深饱和区甚至线性区。随着温度升高，阈值电压本身具有负温度系数，会部分抵消初始的正向漂移，但其综合效应仍是使器件在短路后期更早地退出饱和区，电流衰减可能更显著。

*阈值电压负向漂移:初始电流峰值高，导致瞬时功率密度极大，结温飙升非常快。强烈的温度效应使迁移率迅速下降，电流衰减也可能很快。但由于栅驱动能力强，器件可能在整个短路过程中更稳定地工作在饱和区。

3.对短路能量和结温温升的影响

短路失效的根本原因是热失效。短路能量Esc=「V_ds*Idsdt是结温升高的直接原因。最终结温由短路能量、热容以及散热条件决定。

*阈值电压正向漂移:虽然短路电流峰值降低，但导通电阻Rds(on)因阈值电压升高而显著增大。在短路过程中，漏源电压V_ds约等于总线电压，短路功率P_sc=Vds*Ids。电流下降，但电阻增大，其综合效应需要具体分析。通常，在短路初期，电流减小对功率降低的贡献可能占主导;但在中后期，由于电流衰减和电阻增大的共同作用，功率耗散和能量积累的动态过程变得复杂。更重要的是，导通电阻增大意味着正常工况下的导通损耗也增加，长期运行可能使芯片的初始温度(即短路发生前的结温T_j,initial)更高，从而缩短了从初始温度到失效温度的温差裕量，可能反而降低实际短路耐受时间。

*阈值电压负向漂移:短路电流峰值显著增大，导致初始功率密度极高，产生剧烈的瞬时热冲击。虽然导通电阻略有减小，但电流增大的平方效应远大于电阻减小的线性效应，总短路能量在极短时间内积累到很高水平，结温上升速率极快，通常会导致短路耐受时间显著缩短。

4.对失效模式的影响

SiCMOSFET的短路失效模式主要包括热电失控导致的烧毁、栅氧击穿、以及源极金属化熔断等。

*阈值电压正向漂移:可能使器件的短路过程更"温和"，热点分布可能有所不同，但若因长期导通损耗大导致初始结温高，失效可能源于整体过热。

*阈值电压负向漂移:极易因瞬时局部过热(热点)引发热电失控，失效模式更倾向于局部烧毁。

四、实验与仿真验证

为验证上述理论分析，可采用以下方法:

1.加速老化试验:对一批SiCMOSFET施加高温栅偏压应力，诱导其产生可控的、不同程度的阈值电压漂移。

2.短路测试平台:搭建双脉冲短路测试电路，对老化前后的器件进行标准化短路测试，精确测量其短路电流波形、短路耐受时间。3.热电仿真:建立包含阈值电压参数的电热耦合模型，通过仿真模拟不同阈值电压漂移量下的短路过程，分析内部的电流密度、温度场分布。

预期结果将显示:与阈值电压未漂移的新器件相比，经过PBTI应力后阈值电压正向漂移的器件，其短路电流峰值降低，但短路耐受时间可能呈现非线性变化(先略有延长后缩短);而经过NBTI应力后阈值电压负向漂移的器件，短路电流峰值显著增大，短路耐受时间明显缩短。

五、结论与展望

本文系统分析了阈值电压漂移对SiCMOSFET短路特性的影响机理。研究表明，阈值电压的漂移，无论是正向还是负向，都会显著改变器件的短路行为。正向漂移虽能降低短路电流峰值，但可能因增大导通电阻而恶化热稳定性;负向漂移则直接增大短路电流，加剧热冲击，严重威胁器件安全。这种影响揭示了器件长期可靠性(参数漂移)与短期鲁棒性(短路能力)之间的紧密关联。

基于此，在设计与应用SiCMOSFET时，应充分考虑阈值电压的稳定性:

1.器件层面:继续优化栅氧工艺与界面质量，降低界面态密度，从根本上抑制阈值电压漂移。

2.电路与系统层面:驱动电路设计需考虑阈值电压漂移的范围，确保在器件寿命期内仍能提供足够的栅极驱动能力。保护电路的设计应更具适应性，能够应对因参数漂移导致的短路电流变化。

3.状态监测与寿命预测:开发在线或离线阈值电压监测技术，将其作为器件健康状态的重要指标，用于预测其剩余短路耐受能力，实现预测性维护。

未来的研究可进一步结合多物理场仿真与实验，量化不同应用场景下阈值电压漂移对系统级短路故障后果的概率性影响，为构建高可靠性的SiC功率转换系统提供更精确的设计依据。

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