引言

開關(guān)電源應(yīng)用中，功率MOSFET工作于開關(guān)狀態(tài)，在截止區(qū)和完全導(dǎo)通的飽和區(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(guān)損耗。本文著重介紹MOSFET開關(guān)在線性區(qū)的微觀動態(tài)過程中，容易忽視的一個概念-零溫度系數(shù)點ZTC,圍繞ZTC展開的相關(guān)狀態(tài)討論。

MOSFET完全導(dǎo)通時，RDS(ON)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，芯片具有自動平衡電流的分配能力。

但在跨越線性區(qū)時，會產(chǎn)生動態(tài)的不平衡，VGS電壓低，通常在負溫度系數(shù)區(qū)，局部單元過熱導(dǎo)致其流過更大的電流，結(jié)果溫度更高，從而形成局部熱點導(dǎo)致器件損壞，這樣就形成一個熱電不穩(wěn)定性區(qū)域ETI (Electric 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)。

一、什么是零溫度系數(shù)點ZTC

（Zero Temperature Coefficient）

如圖1功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性所示，25℃和150℃兩條曲線有一個交點，此交點對應(yīng)著相應(yīng)的VGS與電流ID曲線有一個溫度系數(shù)為0的電壓值2.7V，通常這個點就稱為零溫度系數(shù)點ZTC（Zero Temperature Coefficient）（即溫度系數(shù)=0）。VGS高于2.7V時，溫度越高電流越小，功率MOSFET的RDS(ON)是正溫度系數(shù)；VGS低于2.7V時，溫度越高電流越大，功率MOSFET的RDS(ON)是負溫度系數(shù)。

圖1 MOSFET Transfer Characteristic

二、從MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)理解RDS(ON)與熱平衡變化過程

在功率MOSFET的內(nèi)部由許多單元，即小的MOSFET元胞(Cell)并聯(lián)組成，每個單元等效為一個電容和電阻,在單位的面積上，并聯(lián)的MOSFET元胞越多，MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)就越小。同樣的，管芯的面積越大，那么組成MOSFET的元胞也就越多，MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)也就越小。所有單元的G極和S極由內(nèi)部金屬導(dǎo)體連接匯集在芯片表面的某一個位置，然后由導(dǎo)線引出到管腳，這樣以G極在管芯匯集處為參考點，其到各個元胞的電阻并不完全一致，離匯集點越遠的單元，G極的等效串聯(lián)電阻就越大。

正是由于串聯(lián)等效的柵極和源極電阻的分壓作用，造成元胞的VGS的電壓不一致，從而導(dǎo)致各個元胞電流不一致。在MOSFET開通的過程中，由于柵極電容的影響，會加劇各個元胞電流不一致和元胞的熱不平衡。

從如下圖2可形象的看出：在開通的過程中，漏極的電流ID在逐漸增大，離柵極管腳距離近的元胞的電壓大于離柵極管腳距離遠的元胞的電壓，VGS電壓高的單元，也就是離柵極管腳距離近的元胞，流過的電流大，而離柵極管腳距離較遠的元胞，流過的電流小，距離最遠地方的元胞甚至可能還沒有導(dǎo)通，因而沒有電流流過。電流大的元胞，它們的溫度升高。

由于在開通的過程中VGS的電壓逐漸增大到驅(qū)動電壓，VGS的電壓穿越RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)域，此時，那些溫度越高的元胞，由于正反饋的作用，所流過的電流進一步加大，元胞溫度又進一步上升。如果VGS在RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)域工作或停留的時間越大，那么這些元胞就越有過熱擊穿的可能，造成局部的損壞。

如果VGS從RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)域到達RDS(ON)的正溫度系數(shù)區(qū)域時沒有形成局部的損壞，此時，在RDS(ON)的正溫度系數(shù)區(qū)域，元胞的溫度越高，所流過的電流減小，元胞單元溫度和電流形成負反饋，元胞單元自動均流，達到平衡。

相應(yīng)的，在MOSFET關(guān)斷過程中，離柵極管腳距離遠的元胞的電壓降低慢，容易在RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)域形成局部的過熱而損壞。

圖2 MOSFET的內(nèi)部等效模型

三、適合線性區(qū)工作的MOSFET

無錫新潔能股份一直在努力通過設(shè)計和工藝優(yōu)化縮小MOSFET元胞的尺寸（提高cell pitch 密度），以便在維持給定額定電流的同時減小整體器件的chip size，然而，減小功率MOS的管芯面積可能使器件的溫度管理惡化?；旧?，期望以熱穩(wěn)定狀態(tài)操作MOSFET器件。當(dāng)MOSFET的溫度導(dǎo)致通過器件本身的減小電流時，器件是熱穩(wěn)定的。當(dāng)升高溫度導(dǎo)致增大電流時，晶體管器件是熱不穩(wěn)定的。在這種情況下，增大的電流可能進一步升高溫度，這可能再次增大電流等現(xiàn)象導(dǎo)致器件的失效。對于給定的MOSFET器件，可能存在電流密度極限，其中器件在高于電流密度極限的電流密度處是熱穩(wěn)定的，并且在低于電流密度極限的電流密度處是熱不穩(wěn)定的。已經(jīng)觀察到，減小功率晶體管的晶體管單元的尺寸經(jīng)常導(dǎo)致電流密度極限的增大，這相當(dāng)于其中晶體管器件熱不穩(wěn)定的電流范圍的增大。

圖3為通用Trench型MOSFET在不同元胞尺寸下，器件完全導(dǎo)通的電流線仿真圖，可看到小的元胞尺寸下功率MOSFET局部區(qū)域電流線更密集，更容易產(chǎn)生局部的電場集中。SGT屏蔽柵也是同樣的模型。因此，新潔能有采取特殊的方法進行優(yōu)化,研發(fā)出適用于在線性區(qū)的工作狀態(tài)下使用的MOSFET，后期有專題介紹此類產(chǎn)品型號。

圖3 器件不同原胞尺寸（cell pitch）電流密度


審核編輯 黃宇