工作于线性区功率MOSFET的设计（2）：线性区负温度系数

时间：2021-10-09 14:42:04

关键字：温度线性功率MOSFET

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[导读]1、线性区工作负温度系数特性功率MOSFET的转移特性如图1所示，VGS与电流ID曲线有一个温度系数为0的电压值5.5V，通常这个点就称为零温度系数点ZTC（ZeroTemperatureCoefficient）。VGS高于5.5V时，温度越高电流越小，功率MOSFET的RDS是...

1、线性区工作负温度系数特性

功率MOSFET的转移特性如图1所示，VGS与电流ID曲线有一个温度系数为0的电压值5.5V，通常这个点就称为零温度系数点ZTC（Zero Temperature Coefficient）。VGS高于5.5V时，温度越高电流越小，功率MOSFET的RDS是正温度系数；VGS低于5.5V时，温度越高电流越大，功率MOSFET的的RDS是负温度系数。

功率MOSFET内部通常是由许多晶胞单元并联而成，如图2所示。通常假定芯片内部处于理想的热平衡状态，整个硅片的结温完全一致。然而在实际条件下，硅片边沿热阻低，如图3所示；由于硅片焊接的不均匀，各局部区的热阻也不一致；此外，各局部区的阈值电压VTH也不完全相同，它们通过的漏极电流，也就是（VGS-VTH)和跨导乘积，也不完全相同。上述因素导致局部区温度也不一样。

功率MOSFET工作在线性区用来限制电流，VGS电压低，通常在负温度系数区，局部单元过热导致其流过更大的电流，结果温度更高，从而形成局部热点导致器件损坏，这样就形成一个热电不稳定性区域ETI (Electro Thermal Instability)，发生于VGS低于温度系数为0（ZTC）的负温度系数区。

开关电源中功率MOSFET工作于开关状态，在截止区和完全导通区之间高频切换，由于在切换过程中要经过线性区，因此产生开关损耗。完全导通时，RDS处于正温度系数区，局部单元的温度增加，电流减小温度降低，具有自动的平衡电流的分配能力。但是在跨越线性区时，会产生动态的不平衡。

对于热插拨、负载开关、分立LDO的调整管等这一类的应用，MOSFET较长时间或一直在线性区工作，因此工作状态和快速开关状态不同。功率MOSFET工作在线性状态，器件的压降和电流都较大，功耗大，因此产生高的热电应力，更容易导致热不平衡的发生，从而形成局部热点或局部电流集中，导致器件损坏；而且，也容易导致寄生的三极管导通，产生二次击穿，从而损坏器件。

图1：AOT462的转移特性

图2：功率MOSFET内部晶胞单元

图3：芯片内部散热差异

正温度系数区主要处决于载流子的产生，负温度系数区主要处决于载流子的移动，因此表现出来的温度特性不同。

器件的失效处取决于脉冲时间、散热条件和功率MOSFET单元平衡性能。通常，ZTC对应的电流越大，对应的VGS越大，就越容易发生热不稳定性问题。而且ZTC直接和跨导相关，跨导增加，ZTC点向更高的VGS点移动。

相对传统的平面工艺，新一代的工艺的MOSFET单元密度大，具有更大的跨导，因此更容易发生热不稳定性问题。另外，高压的MOSFET比低压MOSFET，在ZTC点具有更低的电流和VGS，这是因为高压MOSFET的epi层厚，单元的Pitch较低，而且掺杂也低，所以RDS随温度变化决定着在整个温度范围内跨导的变化，因此比低压MOSFET发生热不稳定性问题的可能性降低。

2、线性区工作的电势、空穴和电流线分布

MOSFET的漏极导通特性前面论述过，其工作特性有三个工作区：截止区、线性区和‍完全导通区。其中，线性区也称恒流区、饱和区、放大区；完全导通区也称可变电阻区。

功率MOSFET在完全导通区和线性区工作时候，都可以流过大的电流。理论上，功率MOSFET是单极型器件，N沟道的功率MOSFET，只有电子电流，没有空穴电流，但是，这只是针对完全导通的时候；在线性区，还是会同时存在电子和空穴二种电流，如图4、图5和图6分别所示，完全导通区和线性区工作时，电势、空穴和电流线分布图。

从电势分布图，功率MOSFET完全导通时，VDS的压降低，耗尽层完全消失；功率MOSFET在线性区工作时，VDS的电压比较高，耗尽层仍然存在，此时由于在EPI耗尽层产生电子-空穴对，空穴也会产生电流，参入电流的导通。

空穴电流产生后，就会通过MOSFET内部的BODY体区流向S极，这也导致有可能触发寄生三极管，对功率MOSFET产生危害。由空、电流线穴分布图可见：线性区工作时产生明显的空穴电流，电流线也扩散到P型BODY区。

图4：完全导通（左）和线性区的电势分布图

图5：完全导通（左）和线性区的空穴分布图

图6：完全导通（左）和线性区的电流线分布图

功率MOSFET在线性区工作时，器件同时承受高的电压和高的电流时，会产生下面的问题：
1、内部的电场大，注入更多的空穴。
2、有效的沟道宽度比完全导通时小。
3、改变Vth和降低击穿电压。
4、Vth低，电流更容易倾向于局部的集中，形成热点；负温度系数特性进一步恶化局部热点。

功率MOSFET工作在线性区时，器件承受高的电压，耗尽层高压偏置导致有效的体电荷减小；工作电压越高，内部的电场越高，电离加强产生更多电子-空穴对，形成较大的空穴电流。特别是如果工艺不一致，局部区域达到临界电场，会产生非常强的电离和更大的空穴电流，增加寄生三极管导通的风险。

图7为通用Trench和SGT屏蔽栅（分离栅）完全导通的电流线，图7来源于网络。新一代SGT工艺的功率MOSFET局部区域电流线更密急，更容易产生局部的电场集中，因此，如果不采取特殊的方法进行优化，很难在线性区的工作状态下使用。

图7：Trench（左）和SGT屏蔽栅电流线分布图