多年來，半導體技術的發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電阻，降低柵極電荷和提高開關速度方面。整個系統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生的導通狀態和動態開關損耗較低，因此它們具有更高的效率。由于導通電阻的正溫度系數（RDS（ON））和擊穿電壓（BVDSS），它們還顯示出更好的電熱穩定性。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?？鐚В╣FS）高，這使得器件易于產生電熱不穩定性，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，這使得無法維持恒定漏極電流（ID），無負反饋。［1］ RDS（ON）的正溫度系數并不代表穩定運行的所有因素。這些權衡會導致功率MOSFET中的“熱點”現象，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器件熱不穩定性條件的因素。特別是，它研究了發生漏電流（ID）聚焦過程時導致設備局部熱點的現象。對多個器件進行了故障測試，以確定管芯內的損壞程度，并區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（FBSOA）性能的實際分析。根據其ID與VGS性能特征曲線找到器件的零溫度系數（ZTC）值進行評估。

再談功率MOSFET的安全工作區能力

安全工作區（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狀態的器件的動態損耗和擊穿能力上。在開關模式應用中，功率區域的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邊界內的某個位置，該位置正好在擊穿電壓限制區域之前。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，熱不穩定，

指的是結溫在不受控制的情況下升高直到發生器件故障之前發生的不穩定狀態。圖1顯示了大多數功率MOSFET數據手冊中包含的典型SOA曲線。從熱數據中提取恒定電流曲線（顯示在SOA邊界內恒定電流線的右側），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）出現波動，從而可能會對器件的熱性能產生負面影響。已經發表了許多技術論文，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象，該現象僅限于功率MOSFET單元結構的特定區域。在較短的脈沖持續時間測試中，與SOA邊界的偏差更加明顯。據推測，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象，該現象僅限于功率MOSFET單元結構的特定區域。在較短的脈沖持續時間測試中，與SOA邊界的偏差更加明顯。據推測，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象，該現象僅限于功率MOSFET單元結構的特定區域。在較短的脈沖持續時間測試中，與SOA邊界的偏差更加明顯。據推測，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

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

Vds與Ip的特性曲線顯示了功率MOSFET的工作情況

線性區域（又稱“三極管模式”或“歐姆模式”）

在線性區域中，漏極電流（ID）是漏極電壓（VDS）的線性函數。

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

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處于有源區域時，可以通過柵極電壓（VGS）調節漏極電流（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（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據手冊中，該數據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（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）而導致產生更多的熱量，從而允許更多的電流流過（由于正反饋而產生的再生效應）。這導致

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

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）。較熱的電池承載的電流較少，這可能導致熱穩定。在此VGS級別下運行的設備不太容易發生熱失控情況。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在整個溫度范圍內保持相對恒定。在ZTC點以上，VGS值會根據溫度升高而變化。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。

編輯：hfy