Si mosfet是一直以來應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體功率器件，SiC mosfet是近些年應(yīng)用逐漸廣泛的半導(dǎo)體功率器件，二者在多方面特性上具有不同的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)討論一下Si mosfet和SiC mosfet在導(dǎo)通電阻上的差異特性。

一.Si mosfet和SiC mosfet的導(dǎo)通區(qū)域

傳統(tǒng)Si mosfet在兩個(gè)狀態(tài)之間快速切換工作，切換電壓就是VTH,當(dāng)VGS小于VTH時(shí)，器件處于阻斷狀態(tài)，此時(shí)VDS是高阻，ID電流為0，當(dāng)VGS遠(yuǎn)大于VGS后，mosfet將處于飽和區(qū)域，RDS變?yōu)榻咏钚〉膶?dǎo)通阻抗，ID是最大的電流狀態(tài)，這時(shí)器件是充分導(dǎo)通的。

對(duì)于Si mosfet，其線性區(qū)和飽和區(qū)是非常分明的，當(dāng)VGS電壓大于VTH時(shí)，逐步由線性區(qū)移到飽和區(qū)，此時(shí)RDS是一個(gè)較小的電阻，在過渡階段ID電流和VGS電壓的比值比較大，也就是說如下式中表示的，較小的VGS電壓變化，會(huì)產(chǎn)生較大的Id變化，這個(gè)比值稱為跨導(dǎo)，所以說，Si mosfet的跨導(dǎo)是比較大的，同時(shí)它也是mosfet的輸出到輸入的增益。

這里我們通過一個(gè)典型的Si mosfet及SiC mosfet的VDS和Ids電流關(guān)系曲線，來理解其導(dǎo)通特性，如圖1所示。

圖1 Si及SiC mosfet的導(dǎo)通特性比較

如圖1中，紅色曲線為Si mosfet的輸出I-V特性曲線，而黑色曲線為不同VGS下，SiC mosfet的I-V特性曲線。

對(duì)于Si mosfet來說，如圖1中，紅色曲線，在VGS大于VTH時(shí)，經(jīng)歷一個(gè)高增益的線性區(qū)，I-V特性非常陡峭，而VGS足夠大時(shí)，其I-V特性基本是平坦的，最大電流ID變化不大，所以說Si mosfet在飽和區(qū)是一個(gè)非理想的電流源。

而對(duì)于SiC 的I-V曲線來說，它是沒有飽和區(qū)的，它更像一個(gè)電壓控制的可變電阻，而不是非理想電流源，所以，它的跨導(dǎo)gm增益比較小，以如下式來確定其電壓VGS和電流ID關(guān)系，若要提高導(dǎo)通電流，只能提高其門級(jí)驅(qū)動(dòng)電阻VGS.

我們以兩個(gè)運(yùn)行點(diǎn)為例進(jìn)行說明，同樣是20A的負(fù)載電流，一個(gè)是VGS為14V的運(yùn)行I-V曲線，從曲線上讀出對(duì)應(yīng)的VDS電壓為8.75V,則可以求出其導(dǎo)通電阻RDS為438mohm，如下式表示。

另一個(gè)點(diǎn)為VGS為20V的運(yùn)行I-V曲線，從曲線上讀出對(duì)應(yīng)的VDS電壓為3.75V,則可以求出其導(dǎo)通電阻為188mohm，如下式表示。

從上述計(jì)算結(jié)果來看，VGS為12V的導(dǎo)通電阻是VGS為20V時(shí)的導(dǎo)通電阻的2倍以上，這對(duì)于導(dǎo)通損耗來說是非常不利的，那么我們最終得出一個(gè)結(jié)論，比較優(yōu)化的SiC mosfet導(dǎo)通門級(jí)電壓是在18V-20V區(qū)間內(nèi)。當(dāng)采用較低的VGS門級(jí)電壓時(shí)，較大的導(dǎo)通電阻將產(chǎn)生較大的熱損耗，很容易導(dǎo)致熱應(yīng)力的問題。

二.Si 及SiC mosfet的導(dǎo)通電阻溫度系數(shù)

對(duì)于SiC mosfet來說，施加一定的Vgs電壓，其單位面積的導(dǎo)通阻抗是比較小的，總的來說，其導(dǎo)通阻抗包含三部分，RCH溝道電阻是較熟悉的部分，它是NTC負(fù)溫度系數(shù)的特性，而另外兩部分阻抗，分別為JFET電阻RJ,漂移區(qū)電阻RDRIFT,這兩部分阻抗為PTC正溫度系數(shù)特性。

圖2 SiC mosfet導(dǎo)通電阻和結(jié)溫關(guān)系

從圖2上來看，當(dāng)VGS較低時(shí)，如VGS為14V,導(dǎo)通電阻和溫度關(guān)系呈現(xiàn)拋物線形式，隨溫度變化阻抗先減小后增加，而當(dāng)VGS較大時(shí)，如大于18V時(shí)，則導(dǎo)通電阻和溫度關(guān)系是正向比例形式，它的PTC特性占主導(dǎo)地位。

相對(duì)于SiC mosfet隨VGS電壓變化，其阻抗的溫度系數(shù)變化較大，而傳統(tǒng)的Si mosfet，一旦VGS大于VTH，整個(gè)VGS工作區(qū)間其溫度系數(shù)都是PTC特性，因此大電流應(yīng)用時(shí)的器件并聯(lián)比較容易。

所以，經(jīng)過上述分析，對(duì)于SiCmosfet來說，為了盡可能減小其導(dǎo)通電阻，我們通過提高VGS到18V-20V之間以便得到較大的ID電流能力，同時(shí)為了可以得到PTC正溫度系數(shù)的阻抗特性，也要求VGS電壓達(dá)到18V-20V以上的電壓，這樣在SiC mosfet并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，就可以像Si mosfet一樣自然平衡各個(gè)SiC mosfet電流。相反，如果以較低的VGS電壓去驅(qū)動(dòng)并聯(lián)的SiC mosfet，則容易由于NTC的溫度特性占主導(dǎo)，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力大的問題及由于電流不均導(dǎo)致的熱失控問題。

總結(jié)，SiC mosfet作為新型的寬禁帶功率器件，我們注意到其優(yōu)越的特性之外，也要注意它和傳統(tǒng)Si mosfet的特性不同之處，導(dǎo)通阻抗就是一個(gè)非常重要的方面。