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功率MOSFET線性區(qū)負溫度系數(shù)

發(fā)布時間:2018-11-29 責任編輯:xueqi

【導讀】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)。
 
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小;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。
 
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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