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关于功率MOSFET线性区负温度系数的研究
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【导读】功率MOSFET工作在线性区用来限制电流,VGS电压低,通常在负温度系数区,局部单元过热导致其流过更大的电流,结果温度更高,从而形成局部热点导致器件损坏,这样就形成一个热电不稳定性区域ETI (Electro Thermal Instability),发生于VGS低于温度系数为0(ZTC)的负温度系数区。" s& J, i; H N: E: U+ q
6 |( r- n7 n: U! Y ]- J1、线性区工作负温度系数特性
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功率MOSFET的转移特性如图1所示,VGS与电流ID曲线有一个温度系数为0的电压值5.5V,通常这个点就称为零温度系数点ZTC(Zero Temperature Coefficient)。VGS高于5.5V时,温度越高电流越小,功率MOSFET的RDS是正温度系数;VGS低于5.5V时,温度越高电流越大,功率MOSFET的的RDS是负温度系数。 " `8 O1 ~8 f$ z
功率MOSFET内部通常是由许多晶胞单元并联而成,如图2所示。通常假定芯片内部处于理想的热平衡状态,整个硅片的结温完全一致。然而在实际条件下,硅片边沿热阻低,如图3所示;由于硅片焊接的不均匀,各局部区的热阻也不一致;此外,各局部区的阈值电压VTH也不完全相同,它们通过的漏极电流,也就是(VGS-VTH)和跨导乘积,也不完全相同。上述因素导致局部区温度也不一样。
4 g, Q& r! C" M& g功率MOSFET工作在线性区用来限制电流,VGS电压低,通常在负温度系数区,局部单元过热导致其流过更大的电流,结果温度更高,从而形成局部热点导致器件损坏,这样就形成一个热电不稳定性区域ETI (Electro Thermal Instability),发生于VGS低于温度系数为0(ZTC)的负温度系数区。 0 F# }6 Z# D( e+ m8 y
开关电源中功率MOSFET工作于开关状态,在截止区和完全导通区之间高频切换,由于在切换过程中要经过线性区,因此产生开关损耗。完全导通时,RDS处于正温度系数区,局部单元的温度增加,电流减小温度降低,具有自动的平衡电流的分配能力。但是在跨越线性区时,会产生动态的不平衡。 ' V& e. q' V1 q- W7 N
对于热插拨、负载开关、分立LDO的调整管等这一类的应用,MOSFET较长时间或一直在线性区工作,因此工作状态和快速开关状态不同。功率MOSFET工作在线性状态,器件的压降和电流都较大,功耗大,因此产生高的热电应力,更容易导致热不平衡的发生,从而形成局部热点或局部电流集中,导致器件损坏;而且,也容易导致寄生的三极管导通,产生二次击穿,从而损坏器件。 ) h. A( _8 u6 |1 d! g
图1:AOT462的转移特性
图2:功率MOSFET内部晶胞单元
图3:芯片内部散热差异
6 J: D- m3 Y9 ~) a1 K% T正温度系数区主要处决于载流子的产生,负温度系数区主要处决于载流子的移动,因此表现出来的温度特性不同。 7 M }) L1 H. k1 z F
器件的失效处取决于脉冲时间、散热条件和功率MOSFET单元平衡性能。通常,ZTC对应的电流越大,对应的VGS越大,就越容易发生热不稳定性问题。而且ZTC直接和跨导相关,跨导增加,ZTC点向更高的VGS点移动。 ( w/ z, G$ X! v' Y
相对传统的平面工艺,新一代的工艺的MOSFET单元密度大,具有更大的跨导,因此更容易发生热不稳定性问题。另外,高压的MOSFET比低压MOSFET,在ZTC点具有更低的电流和VGS,这是因为高压MOSFET的epi层厚,单元的Pitch较低,而且掺杂也低,所以RDS随温度变化决定着在整个温度范围内跨导的变化,因此比低压MOSFET发生热不稳定性问题的可能性降低。 7 i- H/ h. I1 u; N+ u# C
2、线性区工作的电势、空穴和电流线分布
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3 ~2 X; M- w; N- Y2 pMOSFET的漏极导通特性前面论述过,其工作特性有三个工作区:截止区、线性区和完全导通区。其中,线性区也称恒流区、饱和区、放大区;完全导通区也称可变电阻区。 功率MOSFET在完全导通区和线性区工作时候,都可以流过大的电流。理论上,功率MOSFET是单极型器件,N沟道的功率MOSFET,只有电子电流,没有空穴电流,但是,这只是针对完全导通的时候;在线性区,还是会同时存在电子和空穴二种电流,如图4、图5和图6分别所示,完全导通区和线性区工作时,电势、空穴和电流线分布图。 & F3 _" i$ x( \( I1 Z. P
从电势分布图,功率MOSFET完全导通时,VDS的压降低,耗尽层完全消失;功率MOSFET在线性区工作时,VDS的电压比较高,耗尽层仍然存在,此时由于在EPI耗尽层产生电子-空穴对,空穴也会产生电流,参入电流的导通。 4 y' P P$ t. f- [
空穴电流产生后,就会通过MOSFET内部的BODY体区流向S极,这也导致有可能触发寄生三极管,对功率MOSFET产生危害。由空、电流线穴分布图可见:线性区工作时产生明显的空穴电流,电流线也扩散到P型BODY区。
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图4:完全导通(左)和线性区的电势分布图
图5:完全导通(左)和线性区的空穴分布图
图6:完全导通(左)和线性区的电流线分布图
& \; P* X' e& Z( u7 x功率MOSFET在线性区工作时,器件同时承受高的电压和高的电流时,会产生下面的问题:
* c2 ~: E2 _' \7 n* ~0 d, a; K1、内部的电场大,注入更多的空穴。 2、有效的沟道宽度比完全导通时小。 3、改变Vth和降低击穿电压。 4、Vth低,电流更容易倾向于局部的集中,形成热点;负温度系数特性进一步恶化局部热点。 8 M' @" o& N3 S% w2 M& C
功率MOSFET工作在线性区时,器件承受高的电压,耗尽层高压偏置导致有效的体电荷减小;工作电压越高,内部的电场越高,电离加强产生更多电子-空穴对,形成较大的空穴电流。特别是如果工艺不一致,局部区域达到临界电场,会产生非常强的电离和更大的空穴电流,增加寄生三极管导通的风险。
5 |- W6 n9 y$ ~- R2 v图7为通用Trench和SGT屏蔽栅(分离栅)完全导通的电流线,图7来源于网络。新一代SGT工艺的功率MOSFET局部区域电流线更密急,更容易产生局部的电场集中,因此,如果不采取特殊的方法进行优化,很难在线性区的工作状态下使用。
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图7:Trench(左)和SGT屏蔽栅电流线分布图 / M' G2 S4 s/ J* Y# ~4 u: ^. Q
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