工作于線性區(qū)功率MOSFET的設計-2

1、線性區(qū)工作負溫度系數(shù)特性

功率MOSFET的轉移特性如圖1所示，VGS與電流ID曲線有一個溫度系數(shù)為0的電壓值5.5V，通常這個點就稱為零溫度系數(shù)點ZTC（Zero Temperature Coefficient）。VGS高于5.5V時，溫度越高電流越小，功率MOSFET的RDS是正溫度系數(shù)；VGS低于5.5V時，溫度越高電流越大，功率MOSFET的的RDS是負溫度系數(shù)。

功率MOSFET內(nèi)部通常是由許多晶胞單元并聯(lián)而成，如圖2所示。通常假定芯片內(nèi)部處于理想的熱平衡狀態(tài)，整個硅片的結溫完全一致。然而在實際條件下，硅片邊沿熱阻低，如圖3所示；由于硅片焊接的不均勻，各局部區(qū)的熱阻也不一致；此外，各局部區(qū)的閾值電壓VTH也不完全相同，它們通過的漏極電流，也就是（VGS-VTH)和跨導乘積，也不完全相同。上述因素導致局部區(qū)溫度也不一樣。

功率MOSFET工作在線性區(qū)用來限制電流，VGS電壓低，通常在負溫度系數(shù)區(qū)，局部單元過熱導致其流過更大的電流，結果溫度更高，從而形成局部熱點導致器件損壞，這樣就形成一個熱電不穩(wěn)定性區(qū)域ETI (Electro Thermal Instability)，發(fā)生于VGS低于溫度系數(shù)為0（ZTC）的負溫度系數(shù)區(qū)。

開關電源中功率MOSFET工作于開關狀態(tài)，在截止區(qū)和完全導通區(qū)之間高頻切換，由于在切換過程中要經(jīng)過線性區(qū)，因此產(chǎn)生開關損耗。完全導通時，RDS處于正溫度系數(shù)區(qū)，局部單元的溫度增加，電流減小溫度降低，具有自動的平衡電流的分配能力。但是在跨越線性區(qū)時，會產(chǎn)生動態(tài)的不平衡。

對于熱插撥、負載開關、分立LDO的調(diào)整管等這一類的應用，MOSFET較長時間或一直在線性區(qū)工作，因此工作狀態(tài)和快速開關狀態(tài)不同。功率MOSFET工作在線性狀態(tài)，器件的壓降和電流都較大，功耗大，因此產(chǎn)生高的熱電應力，更容易導致熱不平衡的發(fā)生，從而形成局部熱點或局部電流集中，導致器件損壞；而且，也容易導致寄生的三極管導通，產(chǎn)生二次擊穿，從而損壞器件。

圖1：AOT462的轉移特性

圖2：功率MOSFET內(nèi)部晶胞單元

圖3：芯片內(nèi)部散熱差異

正溫度系數(shù)區(qū)主要處決于載流子的產(chǎn)生，負溫度系數(shù)區(qū)主要處決于載流子的移動，因此表現(xiàn)出來的溫度特性不同。

器件的失效處取決于脈沖時間、散熱條件和功率MOSFET單元平衡性能。通常，ZTC對應的電流越大，對應的VGS越大，就越容易發(fā)生熱不穩(wěn)定性問題。而且ZTC直接和跨導相關，跨導增加，ZTC點向更高的VGS點移動。

相對傳統(tǒng)的平面工藝，新一代的工藝的MOSFET單元密度大，具有更大的跨導，因此更容易發(fā)生熱不穩(wěn)定性問題。另外，高壓的MOSFET比低壓MOSFET，在ZTC點具有更低的電流和VGS，這是因為高壓MOSFET的epi層厚，單元的Pitch較低，而且摻雜也低，所以RDS隨溫度變化決定著在整個溫度范圍內(nèi)跨導的變化，因此比低壓MOSFET發(fā)生熱不穩(wěn)定性問題的可能性降低。

2、線性區(qū)工作的電勢、空穴和電流線分布

MOSFET的漏極導通特性前面論述過，其工作特性有三個工作區(qū)：截止區(qū)、線性區(qū)和?完全導通區(qū)。其中，線性區(qū)也稱恒流區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū)；完全導通區(qū)也稱可變電阻區(qū)。

功率MOSFET在完全導通區(qū)和線性區(qū)工作時候，都可以流過大的電流。理論上，功率MOSFET是單極型器件，N溝道的功率MOSFET，只有電子電流，沒有空穴電流，但是，這只是針對完全導通的時候；在線性區(qū)，還是會同時存在電子和空穴二種電流，如圖4、圖5和圖6分別所示，完全導通區(qū)和線性區(qū)工作時，電勢、空穴和電流線分布圖。

從電勢分布圖，功率MOSFET完全導通時，VDS的壓降低，耗盡層完全消失；功率MOSFET在線性區(qū)工作時，VDS的電壓比較高，耗盡層仍然存在，此時由于在EPI耗盡層產(chǎn)生電子-空穴對，空穴也會產(chǎn)生電流，參入電流的導通。

空穴電流產(chǎn)生后，就會通過MOSFET內(nèi)部的BODY體區(qū)流向S極，這也導致有可能觸發(fā)寄生三極管，對功率MOSFET產(chǎn)生危害。由空、電流線穴分布圖可見：線性區(qū)工作時產(chǎn)生明顯的空穴電流，電流線也擴散到P型BODY區(qū)。

圖4：完全導通（左）和線性區(qū)的電勢分布圖

圖5：完全導通（左）和線性區(qū)的空穴分布圖

圖6：完全導通（左）和線性區(qū)的電流線分布圖

功率MOSFET在線性區(qū)工作時，器件同時承受高的電壓和高的電流時，會產(chǎn)生下面的問題：

1、內(nèi)部的電場大，注入更多的空穴。

2、有效的溝道寬度比完全導通時小。

3、改變Vth和降低擊穿電壓。

4、Vth低，電流更容易傾向于局部的集中，形成熱點；負溫度系數(shù)特性進一步惡化局部熱點。

功率MOSFET工作在線性區(qū)時，器件承受高的電壓，耗盡層高壓偏置導致有效的體電荷減??；工作電壓越高，內(nèi)部的電場越高，電離加強產(chǎn)生更多電子-空穴對，形成較大的空穴電流。特別是如果工藝不一致，局部區(qū)域達到臨界電場，會產(chǎn)生非常強的電離和更大的空穴電流，增加寄生三極管導通的風險。

圖7為通用Trench和SGT屏蔽柵（分離柵）完全導通的電流線，圖7來源于網(wǎng)絡。新一代SGT工藝的功率MOSFET局部區(qū)域電流線更密急，更容易產(chǎn)生局部的電場集中，因此，如果不采取特殊的方法進行優(yōu)化，很難在線性區(qū)的工作狀態(tài)下使用。