影響線性模式下溝槽MOSFET器件熱不穩(wěn)定性條件的因素分析

多年來，半導體技術的發(fā)展已取得了令人矚目的成果。當今的設備具有顯著改善的性能，特別是在降低漏源導通狀態(tài)電阻，降低柵極電荷和提高開關速度方面。整個系統(tǒng)的低功耗和高性能是當今競爭激烈的世界中的游戲名稱。大多數(shù)功率MOSFET器件都用作高頻應用中的開關，在這些應用中，開關速度是必不可少的應用要求。［1］ 由于在極短的開關間隔期間產(chǎn)生的導通狀態(tài)和動態(tài)開關損耗較低，因此它們具有更高的效率。由于導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備以線性模式工作的應用中并不是理想的。跨導（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。在低漏極電流（ID）時，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）具有負溫度系數(shù)，這使得無法維持恒定漏極電流（ID），無負反饋。［1］ RDS（ON）的正溫度系數(shù)并不代表穩(wěn)定運行的所有因素。這些權衡會導致功率MOSFET中的“熱點”現(xiàn)象，這可能會對設備造成破壞。即使該器件具有設計合理的散熱片，也很難控制熱點，因為散熱片只能有效地降低總平均結溫，而且熱點更集中在功率MOSFET單元結構的特定區(qū)域。

本應用筆記重點關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）聚焦過程時導致設備局部熱點的現(xiàn)象。對多個器件進行了故障測試，以確定管芯內(nèi)的損壞程度，并區(qū)分不同測試條件下的故障特征。給出了線性模式下設備正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）性能的實際分析。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）值進行評估。

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器件對功率處理能力的限制。在開關模式應用中，設計工程師通常將注意力集中在處于OFF狀態(tài)的器件的動態(tài)損耗和擊穿能力上。在開關模式應用中，功率區(qū)域的FBSOA邊界意義不大［1］。在線性模式下運行的設備會突出顯示另一種情況。它在非飽和模式下工作，該模式遠離RDS（ON）和恒定電流線，但位于SOA邊界內(nèi)的某個位置，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，因為它在高電壓降和高電流下工作，這可能導致結溫快速升高。熱失控，熱不穩(wěn)定，

指的是結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），并假設結點溫度在功率MOSFET管芯上基本均勻。耗散的功率不會對器件造成災難性的故障，但是當施加的功率脈沖均勻地分布在芯片表面時，其結溫將達到最高保證溫度。

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的一些缺陷；如空隙，導熱油脂腔等；會影響導熱率，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的其他方面可能會導致閾值電壓（VTH）和跨導（gFS）出現(xiàn)波動，從而可能會對器件的熱性能產(chǎn)生負面影響。已經(jīng)發(fā)表了許多技術論文，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能力與預期的SOA邊界大相徑庭。進行了驗證測試，測試結果似乎表明電流集中現(xiàn)象，該現(xiàn)象僅限于功率MOSFET單元結構的特定區(qū)域。在較短的脈沖持續(xù)時間測試中，與SOA邊界的偏差更加明顯。據(jù)推測，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介紹的功率MOSFET器件。［1-4］ 進行了驗證測試，測試結果似乎表明電流集中現(xiàn)象，該現(xiàn)象僅限于功率MOSFET單元結構的特定區(qū)域。在較短的脈沖持續(xù)時間測試中，與SOA邊界的偏差更加明顯。據(jù)推測，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所述的功率MOSFET器件。［1-4］ 進行了驗證測試，測試結果似乎表明電流集中現(xiàn)象，該現(xiàn)象僅限于功率MOSFET單元結構的特定區(qū)域。在較短的脈沖持續(xù)時間測試中，與SOA邊界的偏差更加明顯。據(jù)推測，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介紹的功率MOSFET器件。［1-4］

功率MOSFET中的線性模式

處于導通狀態(tài)的功率MOSFET基本上有兩種工作模式（不計算處于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（陰影區(qū)域）顯示飽和度區(qū)域，而左側則顯示飽和度區(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導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），這會導致電子擴散。

VDS》（VGS-VTH）和VGS》 VTH。

在線性模式下，當功率MOSFET處于有源區(qū)域時，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，由于同時發(fā)生高漏極電壓和電流而導致器件承受高電熱應力，從而導致高功耗。

*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。該轉移曲線通常包含在器件數(shù)據(jù)手冊中，該數(shù)據(jù)手冊顯示了在固定結溫下，漏極電流（ID）與柵極電壓（VGS）的關系。零溫度系數(shù)（ZTC）是沿溫度曲線相交的曲線點。它對應于柵極電壓，在該電壓下設備的直流電性能隨溫度保持恒定；即，ΔID/ΔT＝ 0。低于ZTC時，電池溫度的任何升高都會導致ID增大，從而使電池能夠從其鄰居處汲取電流。當一個細胞或一小組細胞變得比周圍的細胞更熱時，它們往往會傳導更多的電流。通過單元傳導更多的ID會使其溫度升高，由于導通損耗（高功耗）而導致產(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）。這導致

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

在高于ZTC的VGS處，相對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（負反饋）。結果是ΔID/ΔT《0（負溫度系數(shù)）。較熱的電池承載的電流較少，這可能導致熱穩(wěn)定。在此VGS級別下運行的設備不太容易發(fā)生熱失控情況。通常，高電流密度功率MOSFET具有更高的跨導（gFS）。gFS越高，傳遞曲線上的ID當前交點（ID與VGS）越高。較高的gFS也會導致較高的ZTC。在線性模式下選擇器件時，要考慮的實際點是選擇具有較低ZTC值的器件。要了解ZTC點的影響，請參考圖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ID值的選擇基于三個操作條件；例如，一個值位于ZTC點以下，另一個值位于ZTC點，最后一個值位于ZTC點以上。注意溫度在ID高于和低于ZTC點時VGS的變化。在ZTC點以下，VGS值與溫度成反比。對于在ZTC點選擇的ID值，VGS在整個溫度范圍內(nèi)保持相對恒定。在ZTC點以上，VGS值會根據(jù)溫度升高而變化。圖6顯示了VGS值高于，低于和等于ZTC點時對漏極電流（ID）的影響。如前所述，在ZTC點，ID保持相對恒定。ZTC點上方和下方的ID的變化與VGS的方向相反。

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