同為工程師，沒有人想發生意外。盡管已經盡量在設計中使用數據手冊中的 “典型” 數據，但還是會發生意外，尤其在與溫度相關的情況中。本文將討論功率晶體管的重要參數以及這些參數如何受溫度的影響，進而激發大家進行深度思考。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發布，該公司于 2021 年 11 月加入Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領先的碳化硅 (SiC) 功率半導體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業務擴展到電動汽車 (EV)、工業電源、電路保護、可再生能源和數據中心電源等快速增長的市場。

仔細想想就會發現，其實我們生活在 “非典型” 世界里。我們經常會聽到或使用 “典型” 一詞，在某種程度上，該詞是 “平均” 的同義詞，但從統計學角度來看，“平均” 也可能只發生過一次，所以不要事事優先考慮 “典型”。

“典型” 的另一種解釋是形容發生得很頻繁以至于可以預測的事情。行為傾向尤其如此，當我們開始思考行為的頻率時，不可避免地會聯想到時間。

“時間” 是一個有趣的概念，尤其是因為時間永遠無法重復。那么，我們為什么要觀察某段時間內的行為頻率呢？可能是因為我們非常擅長模式識別。我們能夠自如地應對模式識別，而且 “典型” 模式已經成為衡量行為的首選方式。

這可能是我們為了處理每天接收到的大量信息而開發的一種機制。如果我們無法將事件歸類為 “典型”，即使該事件在靈活的變動幅度內，我們也要花費一整天，甚至每一天，來評估我們接觸到的一切。

當我們希望將 “典型” 延伸至 “總是” 或 “一成不變” 時，問題就來了。意外往往在我們最意想不到的時候出現，這就是 “意外” 的含義。但作為工程師，我們真的不喜歡意外，至少在設計中不希望出現意外，所以我們會盡一切可能避免發生意外。這讓我們嚴重依賴于數據手冊中的 “典型” 數據，但這時 “意外” 總是接踵而至。

在需要與溫度相關的數據時，我們常會使用數據手冊中的 “典型” 數據。但在這個過程中，我們實際上將兩個變量視為了常量。如果能理解這一點，那就好辦了。因為工程師認識到了他們可能需要根據實際工作條件來調整相關的數據。真正的問題在于，如何進行假設，將某個器件的數據外推到另一個具有類似典型數據的器件上。

功率晶體管有幾個重要參數，或者說品質因數 (FoM)，比如漏極-源極電阻 (Rds) 和開關損耗 (Eoss)。這些數據通常會在數據手冊中提供，但其隨溫度的變化情況卻少有記錄。晶粒面積也會對這些數據產生影響，于是出現了 RdsA FoM，或者與面積相關的 Rds。

當然，這些都是 “典型” 數據，而且通常都是工作溫度為 25℃ 時的數據。此外，這些數據通常也來源于 “典型” 條件下的 Rds(on)，而未考慮 Rds(on) 也會隨溫度變化而變化，更重要的是，這些數據同樣未考慮到不同的架構而導致的變化。

這些不同在諸如 UnitedSiC 的 UF3C065040K3S 650V SiC 共源共柵器件中更為明顯，該器件在 25℃ 條件下記錄的 Rds(on) 最大值為 52mΩ，而典型值僅為 42mΩ。與 Rds(on) 最大值為 45mΩ、典型值為 40mΩ 的 650V 超結 MOSFET 相比，超結器件在該特定 FoM 方面的性能似乎更出色。但在超溫條件下，情況就大不一樣了，如圖 1所示。當溫度接近 150℃ 時，超結器件的 Rds(on) 達到 96mΩ，而 SiC 共源共柵器件只有 78mΩ。事實上，即使在 175℃ 條件下，SiC 器件的 Rds(on) 仍只有 78mΩ，遠低于超結器件的 Rds(on)。

圖 1：SiC 共源共柵器件與超結 MOSFET 器件的 Rds(on)

從圖 1可以非常清楚地看到，SiC 共源共柵器件的 Rds(on) 增長率遠低于超結 MOSFET 的 Rds(on) 增長率，這一點至關重要，因為這個 FoM 影響著所有其他 FoM，所以如果應用的工作溫度高于 25℃，密切觀察 Rds(on) 隨溫度變化的情況是重中之重。

溫度與導電損耗的相關性在于，溫度越高，SiC 共源共柵 FET 所耗散的功率就越低。在 150℃ 條件下，SiC 共源共柵 FET 的功耗比超結器件低 30%。由于功率耗散也會導致溫度升高，所以功耗損耗越低也意味著整體溫度越低，Rds(on) 值也因此更低。此外，Rds(on) 較低意味著相關應用可以搭載更高的電流，在使用相關器件的應用中，這一特性意義非凡。該 FoM 的另一個積極影響在于，可讓晶粒面積保持最小，從而有助于降低開關損耗和體二極管損耗。

SiC 共源共柵 FET 的 Rds(on) 隨溫度變化的增長率較低，這是該技術的固有特征，且與相關材料中摻雜含量較高的 SiC 緊密相關。在所有半導體材料中，電子遷移率隨溫度的升高而提高，而 SiC 能夠減緩電子遷移率的下降速度。加上 SiC 在柵極電荷及其他 FoM 方面的優勢，工程師便自然能夠明白使用 SiC 共源共柵 FET 如何能幫助實現重大設計改進，又如何能降低系統級成本。

數據手冊有助于我們深入了解器件在一系列條件下的工作原理，但我們需要清楚溫度對數據的影響，而不是對不同類型的器件進行籠統假設，這一點至關重要。