除了标准化的认证流程，英飞凌还做了一套更贴近实际工况的可靠性测试，说白了就是想让SiC MOSFET在客户手里怎么开关，在实验室里就怎么测。
在这类研究中，英飞凌重点关注了实际开关条件下VTH和RON的漂移行为，这在功率转换应用里十分常见。英飞凌在研究中发现了一个SiC特有的退化机制，起名叫"栅极开关不稳定性 (GSI)"，对应的应力模式叫"栅极开关应力 (GSS)"，特征是漏极接地、栅极高频开关，文献里也叫"AC HTGS"、"AC BTI"或"DGS"。
关键发现：GSI导致的VTH漂移，比传统DC BTI测试里测出来的还要大，这和硅技术完全不一样，在硅器件里，DC BTI一直被视为最严苛的栅偏应力（上一章讲过），但SiC的开关应力（GSI）反而比直流应力（DC BTI）更狠。
基于这些发现，英飞凌在标准认证流程里专门加了一项新测试来覆盖这个退化机制，这在硅技术里根本没有，因为Si的DC BTI就是标准栅偏测试。
2018年，英飞凌就发布了应用说明，向客户介绍GSI特性及其影响。随后本白皮书的早期版本又对GSI做了更深入的展开。差不多同一时期，英飞凌和多家学术团队也陆续发表了大量研究成果，最终推动了JEDEC发布了一份专门针对GSI的指南。
如图21，在所有被测器件中，英飞凌SiC器件的VTH和RON漂移均为第二低。
应力模式 - 栅极开关应力 (GSS)
触发GSI 的应力模式是GSS，测试时SiC MOSFET 的漏极与源极均接地，而栅极则在低电平 (VL) 和高电平 (VH) 之间进行高频切换，有意思的是，这种零漏极电流的纯栅极开关，居然能引发和带负载电流时一模一样的退化行为。
栅极开关不稳定性的基本特点
到目前为止，GSI的表现很直白：开关次数越多，VTH越高，这导致过驱动电压 (VH-VGS(th)) 变小，从而使沟道电阻Rch增加，公式如下：
式中：L 沟道长度，W沟道宽度，μn电子迁移率，Cox栅极氧化层电容，VH栅极高电平电压，VGS(th)器件阈值电压（VGS(th)就是VTH）。
在功率MOSFET 中，沟道电阻Rch只是总导通电阻的一部分：
式中：Rch沟道电阻、RJFET结型场效应晶体管 (JFET) 电阻、Repi漂移区外延层电阻、Rsub高掺杂SiC 衬底的电阻。
因此沟道电阻的漂移 (ΔRch) 将导致总导通电阻RON 出现相应的增加 (ΔRON)。
对系统的影响：当RON增加（>15%，这个裕量数据手册里已经预留了），静态损耗就会上升，结温也可能跟着小幅爬升。英飞凌在应用说明中给出了推荐的栅极驱动电压和开关频率，帮客户避开这个坑。GSI对静态损耗的影响比开关损耗大，所以对总损耗的冲击取决于两者比例，如果是开关损耗占大头的高频应用，静态损耗涨一点可能无伤大雅。
影响GSI的关键参数：温度、VL和VH电平（包括过冲欠冲）、栅压VGS上升/下降时间、累积开关次数，这些都会影响退化程度。英飞凌据此建了一个经验模型：
该模型能够覆盖不同工况下的VTH漂移演化，给特定应用做精确预测。
GSI 对各参数的依赖关系
与开关频率的关系
首先需要指出，GSS测试里测到的VTH漂移，其实是BTI分量和GSI分量叠加的结果。如图22a。
初期阶段：VTH漂移和开关频率无关，这部分是BTI在作怪，它只认累积应力时间，不认开关快慢。
后期阶段：应力时间一长，漂移开始跟开关频率挂钩了，图22b进一步说明，GSI分量只认开关次数，和频率本身无关。
总之，BTI分量取决于累积应力时间；而GSI分量则取决于施加的累积开关数N，因此GSI分量是由开关本身引起的，通常GSI分量在总漂移中占主导地位，这也是BTI分量经常被忽略的原因。
BTI 和GSI 分量均近似幂律关系：
既然GSI分量占主导，画图时把总VTH漂移和开关次数挂钩，比和应力时间挂钩更靠谱。换句话说，数开关次数比看跑了多久更能说明问题。这也解释了为什么高频应用更"怕"GSI，比如光伏逆变器，开关频率高，同样时间内累积的开关次数多，GSI退化自然更严重。相比之下，汽车驱动这类低频应用，开关次数少，GSI的影响就温和得多。
与栅极偏压电平的关系
GSI和BTI在电压依赖上也有本质区别。
BTI很"单纯"：加正偏压（PBTI），VTH随时间往上涨；加负偏压（NBTI），VTH往下跌。
GSI不一样：它同时看高电平和低电平的脸色，如图23，VL固定时，VH越高，漂移越大；VH固定时，VL越低，漂移也越大。此外，如果VH继续往上加，漂移不但不涨了，还可能饱和甚至反转，这用一阶反应模型（图22b）解释不了，得挖更深层的物理机制，建更复杂的模型才行。
从实际应用来看，提高栅极电压 (VH) 虽会加剧VTH漂移，但并不意味着系统就更不可靠。关键在于：过驱动电压 (VOV) 同步增大后，RON对VTH的"敏感度"反而被稀释了，同样的漂移量，在更大的过驱动基数下被"摊薄"了，因此，即便VTH漂移得更多，RON的相对涨幅却可能更小。换句话说，18V导通相比15V，系统反而更稳。
直觉上：VH越高，则电场应力越大，VTH漂移越大，越不可靠；
实际上：VH越高，过驱动电压基数越大，同等ΔVTH下RON敏感度越低，系统更稳定
例如：假设两种栅极驱动方案，GSI导致VTH从3V漂移：
Rch正比于1/(VH-VTH) = 1/Vov，即可以写作Rch=k/Vov，则：
Rch,涨幅 = Rch,后-Rch,初 / Rch,初= (k/11 - k/12) / k/12 = 12/11 - 1 = 9.1%
与温度的关系
和直流栅极应力试验一样，GSS试验也显示温度越高，VTH漂得越厉害，这是BTI和GSI两个效应叠加的结果，即BTI分量随温度升高明显增大，而GSI分量基本不受温度影响，只在饱和区可能略有变化，如图24a。
从实际应用来看，虽然高温下的VTH漂移更大，但JFET区和漂移区（外延层）电阻在总导通电阻中的占比会上升，沟道电阻Rch的占比则相应下降。换句话说，高温下"沟道"对总电阻的"话语权"变小了，所以即便VTH漂得多，RON的相对变化反而可能更温和。
高温下各电阻的变化：
假设两种温度场景，GSI导致VTH从3V增加到4V（ΔRch=＋7%）
同样的ΔRch，高温下GSI对RON的相对冲击更小 (2.1%<3.5%)。
GSI只影响沟道电阻 (Rch)，不影响其他部分，但高温时沟道已经不是总电阻的"主角"了，所以看起来高温下GSI的"破坏力"反而变小了。
与其他参数的关系
从原理上讲，栅极开关的所有参数都会影响GSI导致的VTH漂移，不过GSI和频率无关，也不受占空比影响，它只认"开关了多少次"。
既然看的是开关次数，那开关过程中的"快慢"自然也有影响。栅压 (VGS) 爬升（上升时间）和回落（下降时间）时间的不同，会导致不同程度的GSI退化。如图24b，英飞凌的技术对上升时间敏感，下降时间怎么变基本无所谓；别的厂家的技术可能两样都敏感。所以做可靠性测试时，只需在最短转换时间条件下验证漂移，就能覆盖应用中的各种情形。
更要命的是，哪怕是一闪而过的欠冲和过冲，也会加剧VTH的漂移。 实际决定漂移的，是栅极承受的最高电压和最低电压，还有包括欠冲和过冲在内的“毛刺”。图25就说明了这点：VL (-3.5V) 阶段某个瞬间跌到-10V的欠冲，和整个VL阶段都挂在-10V上，VTH漂出来的效果一模一样。反过来，如果VL稳在-3.5V、没有欠冲，漂移就能显著降低。
对开关损耗的影响
对比传统Si技术，SiC技术明显的优势之一就是开关损耗更低，但GSI导致的VTH漂移，会让这个优势随着运行时间慢慢"打折"。
具体来说，GSI会导致VTH升高，VTH升高后，器件关断会变快，关断损耗反而能减小一点；但导通会变慢，导通损耗会逐渐增大。问题是，导通损耗本来就比关断损耗大好几倍，所以"此消彼长"之后，总开关损耗还是涨。因此，保持较低的VTH漂移对保持SiC MOSFET的低损耗优势特别关键。英飞凌的SiC技术VTH漂移小，开通损耗的增幅能做到比其他竞品技术小好几倍。
漂移饱和
前面图24已经提到，VTH并不会无限涨下去，开关次数够多之后，它会趋于饱和。这个规律不仅出现在高VH、低VL的极端条件下，在比较温和的电压水平下也一样存在。
不过，要观察到饱和可不容易。英飞凌做的应力试验，总时长将近一年，才把这个现象摸清楚。那些只用短期数据校准的模型，往往会高估实际应用中的漂移量，虽然算出来是"最坏情况"，但离真实情况偏保守了。
GSI 建模
英飞凌两条腿走路：一边搭建详细的经验模型，一边深挖背后的物理机制。关于GSI到底怎么来的，学术界目前还在争论，主要有两派说法。
一派认为，GSI是局部电场增强捣的鬼，具体来说，栅极开关过程中的强空穴俘获（也就是滞后效应的一部分），会加速更多电子被"永久困"在SiC/SiO₂界面的缺陷里——这些电子一旦陷进去，就再也跑不掉，VTH就这么漂上去了。
强空穴俘获：开关时栅压拉得太低（特别是有欠冲，比如-10V），把大量来自SiC衬底/沟道区的空穴"吸"进了SiO2/SiC界面的陷阱里，这些正电荷在后续的开关过程中赖着不走（恢复极慢，近似准永久俘获），改变了电场，从而又让更多电子永久的陷进去，最终导致VTH永久漂移。
由于俘获空穴的陷阱能级是浅能级，靠近价带，而被吸引的电子则陷入了深能级，靠近导带。
另一派则觉得，GSI更像是"复合增强缺陷反应"的结果，该结果基于大量的实验观察。
复合增强缺陷反应：VH时，沟道充满电子，VL时，空穴被引入沟道，在开关瞬间，电子和空穴在界面缺陷处"碰头"复合释放能量，把原本"老实"的缺陷"炸"活跃了，生成更多陷阱，最终让更多电子陷进去出不来，导致VTH漂移。这是GSI的"能量驱动"机制，与"电场驱动"机制并行存在，学术界还在争论哪个主导。
本公众号内容基于英飞凌2025年10月发布的《英飞凌如何控制和保证基于SiC的功率半导体器件的可靠性白皮书》进行整理、分析与解读，版权归原作者所有，本文仅作学术交流与技术讨论，不构成对原文的实质性替代，详细内容请阅读原文，如有不当引用请联系删除。
