多年來，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展已取得了令人矚目的成果。當(dāng)今的設(shè)備具有顯著改善的性能，特別是在降低漏源導(dǎo)通狀態(tài)電阻，降低柵極電荷和提高開關(guān)速度方面。整個(gè)系統(tǒng)的低功耗和高性能是當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的世界中的游戲名稱。大多數(shù)功率MOSFET器件都用作高頻應(yīng)用中的開關(guān)，在這些應(yīng)用中，開關(guān)速度是必不可少的應(yīng)用要求。［1］ 由于在極短的開關(guān)間隔期間產(chǎn)生的導(dǎo)通狀態(tài)和動(dòng)態(tài)開關(guān)損耗較低，因此它們具有更高的效率。由于導(dǎo)通電阻的正溫度系數(shù)（RDS（ON））和擊穿電壓（BVDSS），它們還顯示出更好的電熱穩(wěn)定性。需要這些屬性來限制熱失控情況的可能性。但是，這些期望的特性在設(shè)備以線性模式工作的應(yīng)用中并不是理想的?？鐚?dǎo)（gFS）高，這使得器件易于產(chǎn)生電熱不穩(wěn)定性，尤其是在線性模式下工作時(shí)。在低漏極電流（ID）時(shí)，熱不穩(wěn)定性狀況尤為明顯，這受功率MOSFET管芯尺寸逐漸縮小的影響。23其次，閾值電壓（VTH）具有負(fù)溫度系數(shù)，這使得無法維持恒定漏極電流（ID），無負(fù)反饋。［1］ RDS（ON）的正溫度系數(shù)并不代表穩(wěn)定運(yùn)行的所有因素。這些權(quán)衡會(huì)導(dǎo)致功率MOSFET中的“熱點(diǎn)”現(xiàn)象，這可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成破壞。即使該器件具有設(shè)計(jì)合理的散熱片，也很難控制熱點(diǎn)，因?yàn)樯崞荒苡行У亟档涂偲骄Y(jié)溫，而且熱點(diǎn)更集中在功率MOSFET單元結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域。

本應(yīng)用筆記重點(diǎn)關(guān)注影響線性模式下溝槽MOSFET器件熱不穩(wěn)定性條件的因素。特別是，它研究了發(fā)生漏電流（ID）聚焦過程時(shí)導(dǎo)致設(shè)備局部熱點(diǎn)的現(xiàn)象。對(duì)多個(gè)器件進(jìn)行了故障測(cè)試，以確定管芯內(nèi)的損壞程度，并區(qū)分不同測(cè)試條件下的故障特征。給出了線性模式下設(shè)備正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）性能的實(shí)際分析。根據(jù)其ID與VGS性能特征曲線找到器件的零溫度系數(shù)（ZTC）值進(jìn)行評(píng)估。

再談功率MOSFET的安全工作區(qū)能力

安全工作區(qū)（SOA）曲線描述了功率MOSFET器件對(duì)功率處理能力的限制。在開關(guān)模式應(yīng)用中，設(shè)計(jì)工程師通常將注意力集中在處于OFF狀態(tài)的器件的動(dòng)態(tài)損耗和擊穿能力上。在開關(guān)模式應(yīng)用中，功率區(qū)域的FBSOA邊界意義不大［1］。在線性模式下運(yùn)行的設(shè)備會(huì)突出顯示另一種情況。它在非飽和模式下工作，該模式遠(yuǎn)離RDS（ON）和恒定電流線，但位于SOA邊界內(nèi)的某個(gè)位置，該位置正好在擊穿電壓限制區(qū)域之前。如果器件以線性模式工作，則功耗很高，因?yàn)樗诟唠妷航岛透唠娏飨鹿ぷ?，這可能導(dǎo)致結(jié)溫快速升高。熱失控，熱不穩(wěn)定，

指的是結(jié)溫在不受控制的情況下升高直到發(fā)生器件故障之前發(fā)生的不穩(wěn)定狀態(tài)。圖1顯示了大多數(shù)功率MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中包含的典型SOA曲線。從熱數(shù)據(jù)中提取恒定電流曲線（顯示在SOA邊界內(nèi)恒定電流線的右側(cè)），并假設(shè)結(jié)點(diǎn)溫度在功率MOSFET管芯上基本均勻。耗散的功率不會(huì)對(duì)器件造成災(zāi)難性的故障，但是當(dāng)施加的功率脈沖均勻地分布在芯片表面時(shí)，其結(jié)溫將達(dá)到最高保證溫度。

典型的FBSOA曲線

功率MOSFET的FBSOA曲線

不幸的是，上述假設(shè)并不總是正確的。需要考慮的是，與管芯的中心相比，焊接到安裝墊的管芯的邊緣通常具有較低的溫度。與芯片固定過程有關(guān)的一些缺陷；如空隙，導(dǎo)熱油脂腔等；會(huì)影響導(dǎo)熱率，從而極大地升高受影響區(qū)域的局部溫度。與制造工藝缺陷相關(guān)的其他方面可能會(huì)導(dǎo)致閾值電壓（VTH）和跨導(dǎo)（gFS）出現(xiàn)波動(dòng)，從而可能會(huì)對(duì)器件的熱性能產(chǎn)生負(fù)面影響。已經(jīng)發(fā)表了許多技術(shù)論文，表明新一代低壓功率MOSFET的能力有限。在電源電壓接近其擊穿電壓（BVDSS）額定值的情況下，該器件的SOA能力與預(yù)期的SOA邊界大相徑庭。進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試結(jié)果似乎表明電流集中現(xiàn)象，該現(xiàn)象僅限于功率MOSFET單元結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域。在較短的脈沖持續(xù)時(shí)間測(cè)試中，與SOA邊界的偏差更加明顯。據(jù)推測(cè)，這種異常行為是由閾值電壓或器件增益隨溫度的變化引起的。［2-3］圖2中修改后的SOA曲線突出了低壓熱不穩(wěn)定性極限的影響。 Spirito等人和其他參考文獻(xiàn)介紹的功率MOSFET器件。［1-4］ 進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試結(jié)果似乎表明電流集中現(xiàn)象，該現(xiàn)象僅限于功率MOSFET單元結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域。在較短的脈沖持續(xù)時(shí)間測(cè)試中，與SOA邊界的偏差更加明顯。據(jù)推測(cè)，這種異常行為是由閾值電壓或器件增益隨溫度的變化引起的。［2-3］圖2中修改后的SOA曲線突出了低壓熱不穩(wěn)定性極限的影響。如Spirito等人和其他參考文獻(xiàn)所述的功率MOSFET器件。［1-4］ 進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試結(jié)果似乎表明電流集中現(xiàn)象，該現(xiàn)象僅限于功率MOSFET單元結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域。在較短的脈沖持續(xù)時(shí)間測(cè)試中，與SOA邊界的偏差更加明顯。據(jù)推測(cè)，這種異常行為是由閾值電壓或器件增益隨溫度的變化引起的。［2-3］圖2中修改后的SOA曲線突出了低壓熱不穩(wěn)定性極限的影響。 Spirito等人和其他參考文獻(xiàn)介紹的功率MOSFET器件。［1-4］

功率MOSFET中的線性模式

處于導(dǎo)通狀態(tài)的功率MOSFET基本上有兩種工作模式（不計(jì)算處于OFF狀態(tài)的截止模式）。圖3顯示了線性區(qū)域和飽和區(qū)域之間的分界線。線的右側(cè)（陰影區(qū)域）顯示飽和度區(qū)域，而左側(cè)則顯示飽和度區(qū)域

Vds與Ip的特性曲線顯示了功率MOSFET的工作情況

線性區(qū)域（又稱“三極管模式”或“歐姆模式”）

在線性區(qū)域中，漏極電流（ID）是漏極電壓（VDS）的線性函數(shù)。

該器件像電阻一樣工作，受柵極電壓（VGS）相對(duì)于漏極電壓（VDS）的控制。

VDS 《（VGS-VTH）和VGS》 VTH。

在線性模式下，柵極電壓的較小變化會(huì)導(dǎo)致漏極電流線性變化。

飽和區(qū)

漏極電壓（VDS）高于柵極電壓（VGS），這會(huì)導(dǎo)致電子擴(kuò)散。

VDS》（VGS-VTH）和VGS》 VTH。

在線性模式下，當(dāng)功率MOSFET處于有源區(qū)域時(shí)，可以通過柵極電壓（VGS）調(diào)節(jié)漏極電流（ID），這被定義為線性工作模式。器件的RDS（ON）由柵極電壓及其漏極電流決定。在這種模式下，由于同時(shí)發(fā)生高漏極電壓和電流而導(dǎo)致器件承受高電熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致高功耗。

*漏極電流的溫度系數(shù)（ΔID/ΔT）*

圖4顯示了某功率MOSFET器件的ID與VGS的性能曲線。該轉(zhuǎn)移曲線通常包含在器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中，該數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示了在固定結(jié)溫下，漏極電流（ID）與柵極電壓（VGS）的關(guān)系。零溫度系數(shù)（ZTC）是沿溫度曲線相交的曲線點(diǎn)。它對(duì)應(yīng)于柵極電壓，在該電壓下設(shè)備的直流電性能隨溫度保持恒定；即，ΔID/ΔT＝ 0。低于ZTC時(shí)，電池溫度的任何升高都會(huì)導(dǎo)致ID增大，從而使電池能夠從其鄰居處汲取電流。當(dāng)一個(gè)細(xì)胞或一小組細(xì)胞變得比周圍的細(xì)胞更熱時(shí)，它們往往會(huì)傳導(dǎo)更多的電流。通過單元傳導(dǎo)更多的ID會(huì)使其溫度升高，由于導(dǎo)通損耗（高功耗）而導(dǎo)致產(chǎn)生更多的熱量，從而允許更多的電流流過（由于正反饋而產(chǎn)生的再生效應(yīng)）。這導(dǎo)致

ΔID/ΔT》 0（正溫度系數(shù)）。設(shè)置在ZTC以下的柵極至源極（VGS）控制電壓可能會(huì)發(fā)生熱失控情況。

在高于ZTC的VGS處，相對(duì)較高溫度的高溫電池的gFS較低（遷移率隨溫度降低）。與周圍較冷的電池相比，它的電流更少，這使較熱的電池可以減少ID電流（負(fù)反饋）。結(jié)果是ΔID/ΔT《0（負(fù)溫度系數(shù)）。較熱的電池承載的電流較少，這可能導(dǎo)致熱穩(wěn)定。在此VGS級(jí)別下運(yùn)行的設(shè)備不太容易發(fā)生熱失控情況。通常，高電流密度功率MOSFET具有更高的跨導(dǎo)（gFS）。gFS越高，傳遞曲線上的ID當(dāng)前交點(diǎn)（ID與VGS）越高。較高的gFS也會(huì)導(dǎo)致較高的ZTC。在線性模式下選擇器件時(shí)，要考慮的實(shí)際點(diǎn)是選擇具有較低ZTC值的器件。要了解ZTC點(diǎn)的影響，請(qǐng)參考圖5和圖6。圖5顯示了VGS隨溫度變化的行為，ID保持恒定。三個(gè)ID值的選擇基于三個(gè)操作條件；例如，一個(gè)值位于ZTC點(diǎn)以下，另一個(gè)值位于ZTC點(diǎn)，最后一個(gè)值位于ZTC點(diǎn)以上。注意溫度在ID高于和低于ZTC點(diǎn)時(shí)VGS的變化。在ZTC點(diǎn)以下，VGS值與溫度成反比。對(duì)于在ZTC點(diǎn)選擇的ID值，VGS在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持相對(duì)恒定。在ZTC點(diǎn)以上，VGS值會(huì)根據(jù)溫度升高而變化。圖6顯示了VGS值高于，低于和等于ZTC點(diǎn)時(shí)對(duì)漏極電流（ID）的影響。如前所述，在ZTC點(diǎn)，ID保持相對(duì)恒定。ZTC點(diǎn)上方和下方的ID的變化與VGS的方向相反。

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