参考文献：周伟成，碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究【D】，浙江大学，2019（转发请注明出处及作者）
 
碳化硅ＭＯＳＦＥＴ
 
碳化硅ＭＯＳＦＥＴ具有正向导通电阻低、开关速度快、驱动电路筒单等优点。碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的漂移区相对较薄，它的正向导通电阻低，导通损耗也小。由于正向电阻小,所以相较于传统硅ＩＧＢＴ，在相同的耐压和导流能力条件下碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的面积可以更小，从而其结电容也更小（相对介电常数：碳化硅９．６６，硅１１．９，＠３００Ｋ），较小的结电容使得器件的开关速度更快。碳化硅ＭＯＳＦＥＴ是电压型驱动器件，驱动功耗较低，而栅氧结构让它的栅极输入阻抗极大，所以碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的驱动电路相对筒单，并且从电路拓扑上来说传统硅ＩＧＢＴ的驱动电路可以直接驱动碳化硅ＭＯＳＦＥＴ，所以碳化硅功率ＭＯＳＦＥＴ被视为硅ＩＧＢＴ的最理想替代品。 碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的工作原理可以用图２．３中的垂直型ＤＭＯＳ来说明。当栅源之间存在正偏压，并且高于阈值电压时，栅极下方在ＳｉＣ表面形成了反型沟道，从源极到漏极形成了导电通路，ＭＯＳＦＥＴ导电通路的等效电阻由如图２．３中所示的几个部分等效电阻串联组成。当栅源之间短路或者在栅源之间施加反偏电压时，沟道被断开，源极到漏极的电流通路不复存在，漏源之间开始具备承受高电压应力的条件。从器件内部来看，正向阻断的电压应力绝大部分由Ｎ－漂移区承担，图２．４显示了漂移区－中电－势分布的示意图。
碳化硅ＭＯＳＦＥＴ存在反向并联的体二极管，从图２．４中可以看到从源极到漏极是ＰｉＮ结构，即ＰＮ结二极管。在电路应用中，通常在开关器件两侧反向并联一个二极管，比如在桥臂电路中ＩＧＢＴ管两端反并一个二极管满足续流导通的需要。碳化硅ＭＯＳＦＥＴ内部集成的体二极管能起到和反并二极管相同的作用，省掉反并二极管可以简化电路拓扑，降低器件成本。可是在实际情况中，直接用ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的体二极菅作为反并二极管会存在一些问题。该体二极管一般是ＰＮ结结构，由于碳化硅ＰＮ结二极管的正向门槛电压很高（２．７Ｖ），体二极管续流时将产生较大的功率损耗，同时由于ＰＮ结二极管存在反向恢复过程又会进一步增加开关损耗，该损耗还会随着温度的升高而增加［６９］。因此，ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的体二极管很少被直接作为反并二极管使用。现在有一些研究团队通过对ＭＯＳＦＥＴ的结构设计来提高体二极管的性能。
 
碳化硅ＭＯＳＦＥＴ特性
 
碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的输出特性
 
以Ｃｒｅｅ公司的碳化硅ＭＯＳＦＥＴ（ＣＭＦ２０１２０Ｄ）为研究对象，对其静态和动态特性进行了测试和分析。碳化硅ＭＯＳＦＥＴ（ＣＭＦ２０１２０Ｄ）的最高耐压为１２００Ｖ，室温下导通电阻为８０ｍａ它的输出特性如图３．１３所示，栅极电压和结温的改变都会对器件的导通性能产生影响。
器件的导通性能会随着栅压的升高而提高。随着栅源电压的升高，栅氧下方的沟道电阻减小，从而器件的导电能力也随之增加。公式（３．１２）可以近似的表明沟道电阻和栅压之间的关系。 其中Rch为沟道电阻，Lch为沟道长度，Ｚ为器件在ｚ方向的长度，μin为沟道电子迁移率，Ｃox为栅氧层的比电容，Vgs为栅极电压，Vth为阈值电压。 器件的导电性能还跟温度有关。栅压较高时，ＭＯＳＦＥＴ的沟道电阻较低，器件的导通能力主要受限于漂移区电阻，而碳化硅半导体内电子迁移率随着温度升高而降低，如公式（３．１５）所示（μ（３００）为结温为３００Ｋ时的电子迁移率，λ为小于０的常数，Ｔ为温度，单位开尔文），因此漂移区电阻随着温度的升高而升高，碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的导通能力随着温度的升高而降低。在实际电路应用中，器件绝大部分情况下都是工作在高栅压偏置的条件，结温的升高对器件的应用性能是不利的，在分析器件的功率损耗时，需要以可能的最高工作结温为条件计算器件的导通损耗，如公式（３．１５）所示： 另一方面，栅压偏置较低时，ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ的沟道电阻较大，占了导通电阻的主要部分，此时沟道电阻的温度特性对器件的性能起主导作用。同时，栅氧层与碳化硅交界面上的陷阱对碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的沟道性能产生影响，具体可以分为对阈值电压的影响，和直接对沟道电阻的影响。首先，界面态对阈值电压的影响。在栅压较低的条件下，ＭＯＳＦＥＴ的反型沟道中的电子数目有限，器件的导通能力主要受限于沟道电阻，对碳化硅ＭＯＳＦＥＴ来说，在低栅压情况下反型沟道中的电阻数目随着温度的升高而增加，原因在于阈值的温度依赖性，图３．１４展示了ＭＯＳＦＥＴ转移特性随温度的变化。栅氧和ＳｉＣ的交界面上的陷阱在电子经过其附近时会概率性的捕获电子，这些被捕获的电子就会对栅压产生影响，造成阈值电压升高。随着温度升高，电子更加活跃，被捕获的电子数量减少，所以阈值电压受到的影响减小，从而导致实测阈值电压随着温度升高而下降。在栅源电压相同的情况下，较小的阈值电压对应的沟道电阻也更小，如公式（３．１４）所示的阈值电压与沟道电阻的关系，因此器件总的导通性能得到增强。
其次，是界面态对沟道电阻的直接影响。陷阱中的电子产生的电场会阻碍沟道电子的通行，温度升高让陷阱中的电子减少，这种阻碍作用也随之变弱，沟道电阻相应的就减小了，所以ＭＯＳＦＥＴ的正向导通电阻也随之减小。
综合以上两点，碳化硅ＭＯＳＦＥＴ在低栅压时，其导通能力随着温度的升高而提高。 碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的结电容分为Ｃｄｓ、Ｃｇｓ和Ｃｇｄ，它们在ＭＯＳＦＥＴ内的等效位置如图２．８所示，Ｃｄｓ和Ｃｇｄ等效电容中间的介质层是耗尽区，因此这两个结电容会随着阻断电压的增加而明显的减小，而ＣｇＳ是氧化层两端栅极和源极之间的等效电容，介质为氧化层，它的距离几乎不会随着阻断电压变化，所以Ｃｇｓ的值不会随着阻断电压发生变化。碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的Ｃ－Ｖ特性如图３．１５所示，Ｃoss为输出电容等于ＣｄＳ＋Ｃｇｄ该电容在零偏压时大约３ｎＦ，之后随着漏源偏置电压的升高而降低；Ｃｉｓｓ为输入电容等于ＣｇＳ＋Ｃｇｄ，该电容在零偏压时大约为３ｎＦ，由于Ｃｇｓ》Ｃｇｄ所以几乎不会随着漏源偏置电压变化；Ｃｒｓｓ为反向转移电容Ｃｇｄ，该电容在漏源零偏压时约为１．２ｎＦ，之后随着漏源偏置电压升高而降低。
开关器件的结电容和开关过程紧密相关，因为开关过程一方面是沟道开通和关闭的过程，另一方面也是结电容充放电的过程。开关器件的关键在于栅压的控制，开关速度和输入电容Ｃｉｓｓ相关。以开通过程为例，栅压从低电平升高到高电平并稳定，伴随着Ｃｇｄ和Ｃｇｓ的充电过程，ＣｇＳ的充电电荷为，Ｃｇｄ的充电电荷为，在充电电流一样的情况下，显然Ｃｇｓ和Ｃｇｄ越小，充电时间越短。碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的结电容非常小，所以开关速度很快，但是高开关速度会给器件带来更大电应力，比如电压过冲，电流振荡等问题，因此碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的性能利用需要更优化的电路设计来支持。 碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的动态特性
 
ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的动态特性通过图３．２的双脉冲测试电路进行测试，测试电路和器件的具体参数如表３．１所示。器件在不同温度条件下（２５°Ｃ，１００°Ｃ，１５０°Ｃ）进行开关特性的测试，测试结果如图３．１６所示。
从结果中可以发现，碳化硅ＭＯＳＦＥＴ的电压和电流变化波形基本符合上述理想开关过程的分析，不同的是在电压和电流变化结束的时候实测波形存在比较大的振荡，这个振荡主要是由结电容和寄生电感形成谐振产生。开通过程中，电流Ｉｄ达到负载电流值的时候，电流变化率发生跳变，从而引起寄生电感Ｌｄ＋Ls＋Ｌ1和二极管结电容ＣD的振荡，具体电路参看图３．４，因为共源极电感Ls的存在，使得Ｖｇｓ也受影响产生振荡。关断过程中，电压上升到最高点后，ＭＯＳＦＥＴ的输出电容Ｃoss和引线电感以及二极管的等效串联电阻发生阻尼谐振；电流下降到零后，电流变化率发生跳变，引线电感和二极管结电容发生谐振，同样由于共源极电感Ｌｓ，Ｖｇｓ随之振荡。
随着结温的升高，ＣＭＦ２０１２０Ｄ的开通速度变快而关断速度变慢这是由于结温影响了转移特性（图３．１４），阈值电压和＆值都随着温度改变，关于转移特性随温度变化的特性将在第四章进行详细介绍。通过对开关波形的计算，可以得到不同温度下器件的损耗，如图３＿１７所不。由于开通和关断过程随结温的变化不一样，导致损耗也不一样，开通损耗随着结温升高而降低、关断损耗随着结温升高而升高，总开关损耗随着结温升高而降低。