發布日期：2022-10-09 點擊率：180
【導讀】功率MOSFET工作在線性區用來限制電流，VGS電壓低，通常在負溫度系數區，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定性區域ETI (Electro Thermal Instability)，發生于VGS低于溫度系數為0（ZTC）的負溫度系數區。
1、線性區工作負溫度系數特性
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為0的電壓值5.5V，通常這個點就稱為零溫度系數點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；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。
功率MOSFET內部通常是由許多晶胞單元并聯而成，如圖2所示。通常假定芯片內部處于理想的熱平衡狀態，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，各局部區的熱阻也不一致；此外，各局部區的閾值電壓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溫度也不一樣。
功率MOSFET工作在線性區用來限制電流，VGS電壓低，通常在負溫度系數區，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定性區域ETI (Electro Thermal Instability)，發生于VGS低于溫度系數為0（ZTC）的負溫度系數區。
開關電源中功率MOSFET工作于開關狀態，在截止區和完全導通區之間高頻切換，由于在切換過程中要經過線性區，因此產生開關損耗。完全導通時，RDS處于正溫度系數區，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。但是在跨越線性區時，會產生動態的不平衡。
對于熱插撥、負載開關、分立LDO的調整管等這一類的應用，MOSFET較長時間或一直在線性區工作，因此工作狀態和快速開關狀態不同。功率MOSFET工作在線性狀態，器件的壓降和電流都較大，功耗大，因此產生高的熱電應力，更容易導致熱不平衡的發生，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內部晶胞單元
圖3：芯片內部散熱差異
正溫度系數區主要處決于載流子的產生，負溫度系數區主要處決于載流子的移動，因此表現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，就越容易發生熱不穩定性問題。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，因此更容易發生熱不穩定性問題。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跨導的變化，因此比低壓MOSFET發生熱不穩定性問題的可能性降低。
2、線性區工作的電勢、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：截止區、線性區和?完全導通區。其中，線性區也稱恒流區、飽和區、放大區；完全導通區也稱可變電阻區。
功率MOSFET在完全導通區和線性區工作時候，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，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，完全導通區和線性區工作時，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耗盡層產生電子-空穴對，空穴也會產生電流，參入電流的導通。
空穴電流產生后，就會通過MOSFET內部的BODY體區流向S極，這也導致有可能觸發寄生三極管，對功率MOSFET產生危害。由空、電流線穴分布圖可見：線性區工作時產生明顯的空穴電流，電流線也擴散到P型BODY區。
圖4：完全導通（左）和線性區的電勢分布圖
圖5：完全導通（左）和線性區的空穴分布圖
圖6：完全導通（左）和線性區的電流線分布圖
功率MOSFET在線性區工作時，器件同時承受高的電壓和高的電流時，會產生下面的問題：
1、內部的電場大，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；負溫度系數特性進一步惡化局部熱點。
功率MOSFET工作在線性區時，器件承受高的電壓，耗盡層高壓偏置導致有效的體電荷減小；工作電壓越高，內部的電場越高，電離加強產生更多電子-空穴對，形成較大的空穴電流。特別是如果工藝不一致，局部區域達到臨界電場，會產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來源于網絡。新一代SGT工藝的功率MOSFET局部區域電流線更密急，更容易產生局部的電場集中，因此，如果不采取特殊的方法進行優化，很難在線性區的工作狀態下使用。
圖7：Trench（左）和SGT屏蔽柵電流線分布圖
來源：松哥電源
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