MOSFET-零溫度系數(shù)點(diǎn)ZTC（Zero Temperature Coefficient）

引言

開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中，功率MOSFET工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在截止區(qū)和完全導(dǎo)通的飽和區(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(kāi)關(guān)損耗。本文著重介紹MOSFET開(kāi)關(guān)在線性區(qū)的微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程中，容易忽視的一個(gè)概念-零溫度系數(shù)點(diǎn)ZTC,圍繞ZTC展開(kāi)的相關(guān)狀態(tài)討論。

MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)，RDS(ON)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，芯片具有自動(dòng)平衡電流的分配能力。

但在跨越線性區(qū)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的不平衡，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 (Electric 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)。

一、什么是零溫度系數(shù)點(diǎn)ZTC

（Zero Temperature Coefficient）

如圖1功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性所示，25℃和150℃兩條曲線有一個(gè)交點(diǎn)，此交點(diǎn)對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的VGS與電流ID曲線有一個(gè)溫度系數(shù)為0的電壓值2.7V，通常這個(gè)點(diǎn)就稱為零溫度系數(shù)點(diǎn)ZTC（Zero Temperature Coefficient）（即溫度系數(shù)=0）。VGS高于2.7V時(shí)，溫度越高電流越小，功率MOSFET的RDS(ON)是正溫度系數(shù)；VGS低于2.7V時(shí)，溫度越高電流越大，功率MOSFET的RDS(ON)是負(fù)溫度系數(shù)。

圖1 MOSFET Transfer Characteristic

二、從MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)理解RDS(ON)與熱平衡變化過(guò)程

在功率MOSFET的內(nèi)部由許多單元，即小的MOSFET元胞(Cell)并聯(lián)組成，每個(gè)單元等效為一個(gè)電容和電阻,在單位的面積上，并聯(lián)的MOSFET元胞越多，MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)就越小。同樣的，管芯的面積越大，那么組成MOSFET的元胞也就越多，MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)也就越小。所有單元的G極和S極由內(nèi)部金屬導(dǎo)體連接匯集在芯片表面的某一個(gè)位置，然后由導(dǎo)線引出到管腳，這樣以G極在管芯匯集處為參考點(diǎn)，其到各個(gè)元胞的電阻并不完全一致，離匯集點(diǎn)越遠(yuǎn)的單元，G極的等效串聯(lián)電阻就越大。

正是由于串聯(lián)等效的柵極和源極電阻的分壓作用，造成元胞的VGS的電壓不一致，從而導(dǎo)致各個(gè)元胞電流不一致。在MOSFET開(kāi)通的過(guò)程中，由于柵極電容的影響，會(huì)加劇各個(gè)元胞電流不一致和元胞的熱不平衡。

從如下圖2可形象的看出：在開(kāi)通的過(guò)程中，漏極的電流ID在逐漸增大，離柵極管腳距離近的元胞的電壓大于離柵極管腳距離遠(yuǎn)的元胞的電壓，VGS電壓高的單元，也就是離柵極管腳距離近的元胞，流過(guò)的電流大，而離柵極管腳距離較遠(yuǎn)的元胞，流過(guò)的電流小，距離最遠(yuǎn)地方的元胞甚至可能還沒(méi)有導(dǎo)通，因而沒(méi)有電流流過(guò)。電流大的元胞，它們的溫度升高。

由于在開(kāi)通的過(guò)程中VGS的電壓逐漸增大到驅(qū)動(dòng)電壓，VGS的電壓穿越RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域，此時(shí)，那些溫度越高的元胞，由于正反饋的作用，所流過(guò)的電流進(jìn)一步加大，元胞溫度又進(jìn)一步上升。如果VGS在RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域工作或停留的時(shí)間越大，那么這些元胞就越有過(guò)熱擊穿的可能，造成局部的損壞。

如果VGS從RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域到達(dá)RDS(ON)的正溫度系數(shù)區(qū)域時(shí)沒(méi)有形成局部的損壞，此時(shí)，在RDS(ON)的正溫度系數(shù)區(qū)域，元胞的溫度越高，所流過(guò)的電流減小，元胞單元溫度和電流形成負(fù)反饋，元胞單元自動(dòng)均流，達(dá)到平衡。

相應(yīng)的，在MOSFET關(guān)斷過(guò)程中，離柵極管腳距離遠(yuǎn)的元胞的電壓降低慢，容易在RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域形成局部的過(guò)熱而損壞。

圖2 MOSFET的內(nèi)部等效模型

三、適合線性區(qū)工作的MOSFET

無(wú)錫新潔能股份一直在努力通過(guò)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化縮小MOSFET元胞的尺寸（提高cell pitch 密度），以便在維持給定額定電流的同時(shí)減小整體器件的chip size，然而，減小功率MOS的管芯面積可能使器件的溫度管理惡化。基本上，期望以熱穩(wěn)定狀態(tài)操作MOSFET器件。當(dāng)MOSFET的溫度導(dǎo)致通過(guò)器件本身的減小電流時(shí)，器件是熱穩(wěn)定的。當(dāng)升高溫度導(dǎo)致增大電流時(shí)，晶體管器件是熱不穩(wěn)定的。在這種情況下，增大的電流可能進(jìn)一步升高溫度，這可能再次增大電流等現(xiàn)象導(dǎo)致器件的失效。對(duì)于給定的MOSFET器件，可能存在電流密度極限，其中器件在高于電流密度極限的電流密度處是熱穩(wěn)定的，并且在低于電流密度極限的電流密度處是熱不穩(wěn)定的。已經(jīng)觀察到，減小功率晶體管的晶體管單元的尺寸經(jīng)常導(dǎo)致電流密度極限的增大，這相當(dāng)于其中晶體管器件熱不穩(wěn)定的電流范圍的增大。

圖3為通用Trench型MOSFET在不同元胞尺寸下，器件完全導(dǎo)通的電流線仿真圖，可看到小的元胞尺寸下功率MOSFET局部區(qū)域電流線更密集，更容易產(chǎn)生局部的電場(chǎng)集中。SGT屏蔽柵也是同樣的模型。因此，新潔能有采取特殊的方法進(jìn)行優(yōu)化,研發(fā)出適用于在線性區(qū)的工作狀態(tài)下使用的MOSFET，后期有專題介紹此類產(chǎn)品型號(hào)。

圖3 器件不同原胞尺寸（cell pitch）電流密度


審核編輯 黃宇