來(lái)源:松哥電源
功率MOSFET線性區(qū)負(fù)溫度系數(shù)
發(fā)布時(shí)間:2018-11-29 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】功率MOSFET工作在線性區(qū)用來(lái)限制電流,VGS電壓低,通常在負(fù)溫度系數(shù)區(qū),局部單元過(guò)熱導(dǎo)致其流過(guò)更大的電流,結(jié)果溫度更高,從而形成局部熱點(diǎn)導(dǎo)致器件損壞,這樣就形成一個(gè)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(fù)溫度系數(shù)區(qū)。
1、線性區(qū)工作負(fù)溫度系數(shù)特性
功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性如圖1所示,VGS與電流ID曲線有一個(gè)溫度系數(shù)為0的電壓值5.5V,通常這個(gè)點(diǎn)就稱為零溫度系數(shù)點(diǎn)ZTC(Zero Temperature Coefficient)。VGS高于5.5V時(shí),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(shí),溫度越高電流越大,功率MOSFET的的RDS是負(fù)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(gè)硅片的結(jié)溫完全一致。然而在實(shí)際條件下,硅片邊沿?zé)嶙璧?,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(guò)的漏極電流,也就是(VGS-VTH)和跨導(dǎo)乘積,也不完全相同。上述因素導(dǎo)致局部區(qū)溫度也不一樣。
功率MOSFET工作在線性區(qū)用來(lái)限制電流,VGS電壓低,通常在負(fù)溫度系數(shù)區(qū),局部單元過(guò)熱導(dǎo)致其流過(guò)更大的電流,結(jié)果溫度更高,從而形成局部熱點(diǎn)導(dǎo)致器件損壞,這樣就形成一個(gè)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(fù)溫度系數(shù)區(qū)。
開關(guān)電源中功率MOSFET工作于開關(guān)狀態(tài),在截止區(qū)和完全導(dǎo)通區(qū)之間高頻切換,由于在切換過(guò)程中要經(jīng)過(guò)線性區(qū),因此產(chǎn)生開關(guān)損耗。完全導(dǎo)通時(shí),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(dòng)的平衡電流的分配能力。但是在跨越線性區(qū)時(shí),會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的不平衡。
對(duì)于熱插撥、負(fù)載開關(guān)、分立LDO的調(diào)整管等這一類的應(yīng)用,MOSFET較長(zhǎng)時(shí)間或一直在線性區(qū)工作,因此工作狀態(tài)和快速開關(guān)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(yīng)力,更容易導(dǎo)致熱不平衡的發(fā)生,從而形成局部熱點(diǎn)或局部電流集中,導(dǎo)致器件損壞;而且,也容易導(dǎo)致寄生的三極管導(dǎo)通,產(chǎn)生二次擊穿,從而損壞器件。
圖1:AOT462的轉(zhuǎn)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(fù)溫度系數(shù)區(qū)主要處決于載流子的移動(dòng),因此表現(xiàn)出來(lái)的溫度特性不同。
器件的失效處取決于脈沖時(shí)間、散熱條件和功率MOSFET單元平衡性能。通常,ZTC對(duì)應(yīng)的電流越大,對(duì)應(yīng)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(dǎo)相關(guān),跨導(dǎo)增加,ZTC點(diǎn)向更高的VGS點(diǎn)移動(dòng)。
相對(duì)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(dǎo),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(diǎn)具有更低的電流和VGS,這是因?yàn)楦邏篗OSFET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(gè)溫度范圍內(nèi)跨導(dǎo)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(shì)、空穴和電流線分布
MOSFET的漏極導(dǎo)通特性前面論述過(guò),其工作特性有三個(gè)工作區(qū):截止區(qū)、線性區(qū)和完全導(dǎo)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(dǎo)通區(qū)也稱可變電阻區(qū)。
功率MOSFET在完全導(dǎo)通區(qū)和線性區(qū)工作時(shí)候,都可以流過(guò)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(duì)完全導(dǎo)通的時(shí)候;在線性區(qū),還是會(huì)同時(shí)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(dǎo)通區(qū)和線性區(qū)工作時(shí),電勢(shì)、空穴和電流線分布圖。
從電勢(shì)分布圖,功率MOSFET完全導(dǎo)通時(shí),VDS的壓降低,耗盡層完全消失;功率MOSFET在線性區(qū)工作時(shí),VDS的電壓比較高,耗盡層仍然存在,此時(shí)由于在EPI耗盡層產(chǎn)生電子-空穴對(duì),空穴也會(huì)產(chǎn)生電流,參入電流的導(dǎo)通。
空穴電流產(chǎn)生后,就會(huì)通過(guò)MOSFET內(nèi)部的BODY體區(qū)流向S極,這也導(dǎo)致有可能觸發(fā)寄生三極管,對(duì)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(shí)產(chǎn)生明顯的空穴電流,電流線也擴(kuò)散到P型BODY區(qū)。
圖4:完全導(dǎo)通(左)和線性區(qū)的電勢(shì)分布圖
圖5:完全導(dǎo)通(左)和線性區(qū)的空穴分布圖
圖6:完全導(dǎo)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(shí),器件同時(shí)承受高的電壓和高的電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生下面的問題:
1、內(nèi)部的電場(chǎng)大,注入更多的空穴。
2、有效的溝道寬度比完全導(dǎo)通時(shí)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(diǎn);負(fù)溫度系數(shù)特性進(jìn)一步惡化局部熱點(diǎn)。
功率MOSFET工作在線性區(qū)時(shí),器件承受高的電壓,耗盡層高壓偏置導(dǎo)致有效的體電荷減??;工作電壓越高,內(nèi)部的電場(chǎng)越高,電離加強(qiáng)產(chǎn)生更多電子-空穴對(duì),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(dá)到臨界電場(chǎng),會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的電離和更大的空穴電流,增加寄生三極管導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。
圖7為通用Trench和SGT屏蔽柵(分離柵)完全導(dǎo)通的電流線,圖7來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)。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(chǎng)集中,因此,如果不采取特殊的方法進(jìn)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
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