解读SiC MOSFET关键参数——Vth

时间： 2024-09-21 来源：阿基米德半导体公众号

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当代电子技术的发展不仅需要高效性能，还需要可靠和可持续的解决方案。而SiC MOSFET作为一种新型的功率器件，正在引领着未来能源转型的浪潮。今天，我们要聊的主角是碳化硅MOSFET中另一个关键参数——Vth，这个参数不仅关系到器件的开启与关闭，而且直接影响到器件的导通损耗和开关速度，进而影响到整个系统的效率和可靠性。

（一）Vth的理论计算

半导体表面进入强反型时，施加在MOSFET 栅极上的电压称做阈值电压。该电压分别由氧化层与半导体共同分担，所以有

V_S为源极电压,在功率 MOSFET中，通常V_S=0，故上式可化简为如下三部分：

其中：

氧化层电压V_OX取决于掺杂浓度和氧化层厚度；

为费米能级，由掺杂浓度和温度决定；

平带电压 V_FB为表面势为零时所对应的栅极电压，可认为是半导体表面电压的一部分，首先为栅极-半导体间的功函数差，由栅极材料与半导体功函数之差得到，如果栅极为金属，则由金属的种类决定，每种金属都为固定常数；如果栅极是半导体，取决于栅极材料及掺杂浓度，如下式所示，其中为材料的电子亲和势。

图一为一个带有掺杂的p型多晶硅栅的 n型沟道 SiC MOSFET 器件的平带能带图；图二为不同栅极应力下的能带图。

图一：平带能带图

图二：不同栅压下的能带示意图（从左至右依次为积累、耗尽、强反型状态）

此外，固定电荷Q_F和界面态电荷 Q_IT对平带电压V_FB也有很关键的影响。固定电荷Q_F存在于氧化物和半导体界面的薄层上,只取决于氧化的条件和退火的条件。界面态电荷Q_F也处在界面处，取决于能带的弯曲量。

（二）缺陷电荷对Vth测试的影响

相信很多小伙伴对Vth的测试有这样的疑惑，为什么同一颗器件的Vth我前后的测试数值不同？或者为什么测试Vth时，要先给器件一个脉冲式的栅极电压应力？

对于一个NMOS器件的阈值电压，或者说NMOS器件的开启，更本质的是材料层受电压应力的吸引感应出的沟道，如第一段说的V_OX，同时平带电压还受界面处的缺陷电荷影响，缺陷电荷的影响如下图：

图三：(a)负缺陷下积累;(b)正偏压反型

在器件未开启前，若缺陷电荷表现为负电位，受缺陷电位的影响，沟道为积累型，费米能级在价带边缘，界面有大量的空穴堆积，使得界面态具有正电荷，此时的能带图如图三(a)所示。

当器件施加的栅极电压达到阈值电压后，器件沟道开启，由积累型转变为反型，费米能级在 SiC 的带隙中快速移动，几乎穿过整个 SiC 带隙，器件进入非平衡态，在这一过程中，半导体向价带发射空穴，并且从导带捕获电子。经过一段时间后，器件进入热平衡状态，能带中电荷稳定，半导体表面的费米能级靠近导带，表面有大量的电子，器件沟道表面呈反型，此时器件的能带图如图三(b)所示。

若用公式来具象化表示，我们不妨设测试得来的阈值电压为；器件实际的阈值电压为，故而有

同理，若在器件未开启前，若缺陷电荷表现为正电位，则

图四：(a)正缺陷下积累;(b)正偏压反型

正是由于这种带电缺陷的影响，而短时间内认为器件的阈值电压不退化，所以每次测量阈值电压的数值不尽相同。而改进这种影响的方式很简单，只需要每次测试Vth时，要先给器件一个固定的脉冲式栅极电压刷新器件的栅氧界面态，使测试Vth前栅氧界面态保持一致，这样就可以保证缺陷电荷对测试的影响保证一致，使得测试的阈值电压稳定。

(三)迟滞效应的影响

由于半导体中界面态的电荷状态与费米能级位置之间存在非稳态，从而引起滞后现象。这种效应存在于 SiC MOSFET 器件中，但在 Si MOSFET 器件中还没有发现，原因可能与界面态密度和禁带宽度相关。

Si/Si02界面态较低，目前 SiC/Si02界面中的界面态密度 Dit可以达到 1011-1012cm-2/eV，而对于典型的 Si/Si02界面中的界面态密度 Dit通常为109-1010cm-2/eV因此迟滞效应的漂移幅度很小。

另一方面，硅材料固有的带隙宽度较窄，使得迟滞效应迅速消失，在测量中难以测得。

此外，温度的上升，阈值电压下降，同时滞后现象也明显下降。这是由于不同温度下，氧化物中的陷阱的俘获和发射时间常数不同，随着温度升高，电子和空穴的移动更快，测试的延迟导致迟滞现象更难测得。

阈值电压的迟滞效应是一种可恢复的阈值漂移。它是 SiC MOSFET 的完全可逆和可复制的特征，并不是器件的一种退化。此外，在相同的测试条件下，迟滞效应测试可以在一定程度上反映不同的器件的界面陷阱密度及界面的质量。

(四)Vth的影响参数与关联参数

1.掺杂浓度

简单可以理解为，栅极电压要吸引P型区域（多空穴）的少数载流子电子，那么势必有P的浓度越大，吸引少数载流子越困难，从而Vth越高。

理论上理解为，从氧化层电压公式来看：

式中为P-base区域的掺杂浓度，显然氧化层电压正相关与掺杂浓度。

图五：沟道形成示意图

2.栅氧层厚度

如图六所示，栅极信号再栅氧层上存在电压降，在栅氧材料成分不变前提下，为了保证SiC/Si0₂界面的电势V₂相同，越厚的栅氧层就需要越高的V₁，也就需要更高的阈值电压。

图六：栅氧层压降

理论上理解为，从氧化层电压公式来看：

式中为栅氧层厚度，显然氧化层电压正相关与栅氧厚度。

3.关联参数Rdson

上篇关于Rdson的推文中已经论述了其组成，这里就不加赘述，取其中一个部分来说，沟道电阻可以表示为

显然Vth在式中分母部分，Vth越小越小，参数Rdson与Vth也是一个正相关的关系。

今天我们一起探讨了MOSFET中的一个重要参数——阈值电压（Vth），了解了他的各部分组成及其具体计算方式，了解了影响Vth测试数值的一些因素。在选择Vth时，需要根据应用场景、温度因素以及综合性能进行评估，以实现器件的最优性能。希望通过本文的介绍，您能对SiC MOSFET的Vth有更深入的了解。

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