【導讀】功率MOSFET工作在線(xiàn)性區用來(lái)限制電流，VGS電壓低，通常在負溫度系數區，局部單元過(guò)熱導致其流過(guò)更大的電流，結果溫度更高，從而形成局部熱點(diǎn)導致器件損壞，這樣就形成一個(gè)熱電不穩定性區域ETI (Electro Thermal Instability)，發(fā)生于VGS低于溫度系數為0（ZTC）的負溫度系數區。
1、線(xiàn)性區工作負溫度系數特性
功率MOSFET的轉移特性如圖1所示，VGS與電流ID曲線(xiàn)有一個(gè)溫度系數為0的電壓值5.5V，通常這個(gè)點(diǎn)就稱(chēng)為零溫度系數點(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；VGS低于5.5V時(shí)，溫度越高電流越大，功率MOSFET的的RDS是負溫度系數。
功率MOSFET內部通常是由許多晶胞單元并聯(lián)而成，如圖2所示。通常假定芯片內部處于理想的熱平衡狀態(tài)，整個(gè)硅片的結溫完全一致。然而在實(shí)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，各局部區的熱阻也不一致；此外，各局部區的閾值電壓VTH也不完全相同，它們通過(guò)的漏極電流，也就是（VGS-VTH)和跨導乘積，也不完全相同。上述因素導致局部區溫度也不一樣。
功率MOSFET工作在線(xiàn)性區用來(lái)限制電流，VGS電壓低，通常在負溫度系數區，局部單元過(guò)熱導致其流過(guò)更大的電流，結果溫度更高，從而形成局部熱點(diǎn)導致器件損壞，這樣就形成一個(gè)熱電不穩定性區域ETI (Electro Thermal Instability)，發(fā)生于VGS低于溫度系數為0（ZTC）的負溫度系數區。
開(kāi)關(guān)電源中功率MOSFET工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在截止區和完全導通區之間高頻切換，由于在切換過(guò)程中要經(jīng)過(guò)線(xiàn)性區，因此產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。完全導通時(shí)，RDS處于正溫度系數區，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(xiàn)性區時(shí)，會(huì )產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的不平衡。
對于熱插撥、負載開(kāi)關(guān)、分立LDO的調整管等這一類(lèi)的應用，MOSFET較長(cháng)時(shí)間或一直在線(xiàn)性區工作，因此工作狀態(tài)和快速開(kāi)關(guān)狀態(tài)不同。功率MOSFET工作在線(xiàn)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(diǎn)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內部晶胞單元
圖3：芯片內部散熱差異
正溫度系數區主要處決于載流子的產(chǎn)生，負溫度系數區主要處決于載流子的移動(dòng)，因此表現出來(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對應的電流越大，對應的VGS越大，就越容易發(fā)生熱不穩定性問(wèn)題。而且ZTC直接和跨導相關(guān)，跨導增加，ZTC點(diǎn)向更高的VGS點(diǎn)移動(dòng)。
相對傳統的平面工藝，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)生熱不穩定性問(wèn)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(zhù)在整個(gè)溫度范圍內跨導的變化，因此比低壓MOSFET發(fā)生熱不穩定性問(wèn)題的可能性降低。
2、線(xiàn)性區工作的電勢、空穴和電流線(xiàn)分布
MOSFET的漏極導通特性前面論述過(guò)，其工作特性有三個(gè)工作區：截止區、線(xiàn)性區和完全導通區。其中，線(xiàn)性區也稱(chēng)恒流區、飽和區、放大區；完全導通區也稱(chēng)可變電阻區。
功率MOSFET在完全導通區和線(xiàn)性區工作時(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(méi)有空穴電流，但是，這只是針對完全導通的時(shí)候；在線(xiàn)性區，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，完全導通區和線(xiàn)性區工作時(shí)，電勢、空穴和電流線(xiàn)分布圖。
從電勢分布圖，功率MOSFET完全導通時(shí)，VDS的壓降低，耗盡層完全消失；功率MOSFET在線(xiàn)性區工作時(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，空穴也會(huì )產(chǎn)生電流，參入電流的導通。
空穴電流產(chǎn)生后，就會(huì )通過(guò)MOSFET內部的BODY體區流向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(xiàn)穴分布圖可見(jiàn)：線(xiàn)性區工作時(shí)產(chǎn)生明顯的空穴電流，電流線(xiàn)也擴散到P型BODY區。
圖4：完全導通（左）和線(xiàn)性區的電勢分布圖
圖5：完全導通（左）和線(xiàn)性區的空穴分布圖
圖6：完全導通（左）和線(xiàn)性區的電流線(xiàn)分布圖
功率MOSFET在線(xiàn)性區工作時(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(wèn)題：
1、內部的電場(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)；負溫度系數特性進(jìn)一步惡化局部熱點(diǎn)。
功率MOSFET工作在線(xiàn)性區時(shí)，器件承受高的電壓，耗盡層高壓偏置導致有效的體電荷減??；工作電壓越高，內部的電場(chǎng)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，局部區域達到臨界電場(chǎng)，會(huì )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(fēng)險。
圖7為通用Trench和SGT屏蔽柵（分離柵）完全導通的電流線(xiàn)，圖7來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )。新一代SGT工藝的功率MOSFET局部區域電流線(xiàn)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(xiàn)性區的工作狀態(tài)下使用。
圖7：Trench（左）和SGT屏蔽柵電流線(xiàn)分布圖
來(lái)源：松哥電源
