影响线性模式下沟槽MOSFET器件热不稳定性条件的因素分析
多年来，半导体技术的发展已取得了令人瞩目的成果。当今的设备具有显着改善的性能，特别是在降低漏源导通状态电阻，降低栅极电荷和提高开关速度方面。整个系统的低功耗和高性能是当今竞争激烈的世界中的游戏名称。大多数功率mosfet器件都用作高频应用中的开关，在这些应用中，开关速度是必不可少的应用要求。［1］ 由于在极短的开关间隔期间产生的导通状态和动态开关损耗较低，因此它们具有更高的效率。由于导通电阻的正温度系数（rds（on））和击穿电压（bvdss），它们还显示出更好的电热稳定性。需要这些属性来限制热失控情况的可能性。但是，这些期望的特性在设备以线性模式工作的应用中并不是理想的。跨导（gfs）高，这使得器件易于产生电热不稳定性，尤其是在线性模式下工作时。在低漏极电流（id）时，热不稳定性状况尤为明显，这受功率mosfet管芯尺寸逐渐缩小的影响。23其次，阈值电压（vth）具有负温度系数，这使得无法维持恒定漏极电流（id），无负反馈。［1］ rds（on）的正温度系数并不代表稳定运行的所有因素。这些权衡会导致功率mosfet中的“热点”现象，这可能会对设备造成破坏。即使该器件具有设计合理的散热片，也很难控制热点，因为散热片只能有效地降低总平均结温，而且热点更集中在功率mosfet单元结构的特定区域。
本应用笔记重点关注影响线性模式下沟槽mosfet器件热不稳定性条件的因素。特别是，它研究了发生漏电流（id）聚焦过程时导致设备局部热点的现象。对多个器件进行了故障测试，以确定管芯内的损坏程度，并区分不同测试条件下的故障特征。给出了线性模式下设备正向偏置安全工作区（fbsoa）性能的实际分析。根据其id与vgs性能特征曲线找到器件的零温度系数（ztc）值进行评估。
再谈功率mosfet的安全工作区能力
安全工作区（soa）曲线描述了功率mosfet器件对功率处理能力的限制。在开关模式应用中，设计工程师通常将注意力集中在处于off状态的器件的动态损耗和击穿能力上。在开关模式应用中，功率区域的fbsoa边界意义不大［1］。在线性模式下运行的设备会突出显示另一种情况。它在非饱和模式下工作，该模式远离rds（on）和恒定电流线，但位于soa边界内的某个位置，该位置正好在击穿电压限制区域之前。如果器件以线性模式工作，则功耗很高，因为它在高电压降和高电流下工作，这可能导致结温快速升高。热失控，热不稳定，
指的是结温在不受控制的情况下升高直到发生器件故障之前发生的不稳定状态。图1显示了大多数功率mosfet数据手册中包含的典型soa曲线。从热数据中提取恒定电流曲线（显示在soa边界内恒定电流线的右侧），并假设结点温度在功率mosfet管芯上基本均匀。耗散的功率不会对器件造成灾难性的故障，但是当施加的功率脉冲均匀地分布在芯片表面时，其结温将达到最高保证温度。
典型的fbsoa曲线
功率mosfet的fbsoa曲线
不幸的是，上述假设并不总是正确的。需要考虑的是，与管芯的中心相比，焊接到安装垫的管芯的边缘通常具有较低的温度。与芯片固定过程有关的一些缺陷；如空隙，导热油脂腔等；会影响导热率，从而极大地升高受影响区域的局部温度。与制造工艺缺陷相关的其他方面可能会导致阈值电压（vth）和跨导（gfs）出现波动，从而可能会对器件的热性能产生负面影响。已经发表了许多技术论文，表明新一代低压功率mosfet的能力有限。在电源电压接近其击穿电压（bvdss）额定值的情况下，该器件的soa能力与预期的soa边界大相径庭。进行了验证测试，测试结果似乎表明电流集中现象，该现象仅限于功率mosfet单元结构的特定区域。在较短的脉冲持续时间测试中，与soa边界的偏差更加明显。据推测，这种异常行为是由阈值电压或器件增益随温度的变化引起的。［2-3］图2中修改后的soa曲线突出了低压热不稳定性极限的影响。 spirito等人和其他参考文献介绍的功率mosfet器件。［1-4］ 进行了验证测试，测试结果似乎表明电流集中现象，该现象仅限于功率mosfet单元结构的特定区域。在较短的脉冲持续时间测试中，与soa边界的偏差更加明显。据推测，这种异常行为是由阈值电压或器件增益随温度的变化引起的。［2-3］图2中修改后的soa曲线突出了低压热不稳定性极限的影响。如spirito等人和其他参考文献所述的功率mosfet器件。［1-4］ 进行了验证测试，测试结果似乎表明电流集中现象，该现象仅限于功率mosfet单元结构的特定区域。在较短的脉冲持续时间测试中，与soa边界的偏差更加明显。据推测，这种异常行为是由阈值电压或器件增益随温度的变化引起的。［2-3］图2中修改后的soa曲线突出了低压热不稳定性极限的影响。 spirito等人和其他参考文献介绍的功率mosfet器件。［1-4］
功率mosfet中的线性模式
处于导通状态的功率mosfet基本上有两种工作模式（不计算处于off状态的截止模式）。图3显示了线性区域和饱和区域之间的分界线。线的右侧（阴影区域）显示饱和度区域，而左侧则显示饱和度区域
vds与ip的特性曲线显示了功率mosfet的工作情况
线性区域（又称“三极管模式”或“欧姆模式”）
在线性区域中，漏极电流（id）是漏极电压（vds）的线性函数。
该器件像电阻一样工作，受栅极电压（vgs）相对于漏极电压（vds）的控制。
vds 《（vgs-vth）和vgs》 vth。
在线性模式下，栅极电压的较小变化会导致漏极电流线性变化。
饱和区
漏极电压（vds）高于栅极电压（vgs），这会导致电子扩散。
vds》（vgs-vth）和vgs》 vth。
在线性模式下，当功率mosfet处于有源区域时，可以通过栅极电压（vgs）调节漏极电流（id），这被定义为线性工作模式。器件的rds（on）由栅极电压及其漏极电流决定。在这种模式下，由于同时发生高漏极电压和电流而导致器件承受高电热应力，从而导致高功耗。
*漏极电流的温度系数（δid/δt）*
图4显示了某功率mosfet器件的id与vgs的性能曲线。该转移曲线通常包含在器件数据手册中，该数据手册显示了在固定结温下，漏极电流（id）与栅极电压（vgs）的关系。零温度系数（ztc）是沿温度曲线相交的曲线点。它对应于栅极电压，在该电压下设备的直流电性能随温度保持恒定；即，δid/δt＝ 0。低于ztc时，电池温度的任何升高都会导致id增大，从而使电池能够从其邻居处汲取电流。当一个细胞或一小组细胞变得比周围的细胞更热时，它们往往会传导更多的电流。通过单元传导更多的id会使其温度升高，由于导通损耗（高功耗）而导致产生更多的热量，从而允许更多的电流流过（由于正反馈而产生的再生效应）。这导致
δid/δt》 0（正温度系数）。设置在ztc以下的栅极至源极（vgs）控制电压可能会发生热失控情况。
在高于ztc的vgs处，相对较高温度的高温电池的gfs较低（迁移率随温度降低）。与周围较冷的电池相比，它的电流更少，这使较热的电池可以减少id电流（负反馈）。结果是δid/δt《0（负温度系数）。较热的电池承载的电流较少，这可能导致热稳定。在此vgs级别下运行的设备不太容易发生热失控情况。通常，高电流密度功率mosfet具有更高的跨导（gfs）。gfs越高，传递曲线上的id当前交点（id与vgs）越高。较高的gfs也会导致较高的ztc。在线性模式下选择器件时，要考虑的实际点是选择具有较低ztc值的器件。要了解ztc点的影响，请参考图5和图6。图5显示了vgs随温度变化的行为，id保持恒定。三个id值的选择基于三个操作条件；例如，一个值位于ztc点以下，另一个值位于ztc点，最后一个值位于ztc点以上。注意温度在id高于和低于ztc点时vgs的变化。在ztc点以下，vgs值与温度成反比。对于在ztc点选择的id值，vgs在整个温度范围内保持相对恒定。在ztc点以上，vgs值会根据温度升高而变化。图6显示了vgs值高于，低于和等于ztc点时对漏极电流（id）的影响。如前所述，在ztc点，id保持相对恒定。ztc点上方和下方的id的变化与vgs的方向相反。
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本应用笔记重点关注影响线性模式下沟槽mosfet器件热不稳定性条件的因素。特别是，它研究了发生漏电流（id）聚焦过程时导致设备局部热点的现象。对多个器件进行了故障测试，以确定管芯内的损坏程度，并区分不同测试条件下的故障特征。给出了线性模式下设备正向偏置安全工作区（fbsoa）性能的实际分析。根据其id与vgs性能特征曲线找到器件的零温度系数（ztc）值进行评估。
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安全工作区（soa）曲线描述了功率mosfet器件对功率处理能力的限制。在开关模式应用中，设计工程师通常将注意力集中在处于off状态的器件的动态损耗和击穿能力上。在开关模式应用中，功率区域的fbsoa边界意义不大［1］。在线性模式下运行的设备会突出显示另一种情况。它在非饱和模式下工作，该模式远离rds（on）和恒定电流线，但位于soa边界内的某个位置，该位置正好在击穿电压限制区域之前。如果器件以线性模式工作，则功耗很高，因为它在高电压降和高电流下工作，这可能导致结温快速升高。热失控，热不稳定，
指的是结温在不受控制的情况下升高直到发生器件故障之前发生的不稳定状态。图1显示了大多数功率mosfet数据手册中包含的典型soa曲线。从热数据中提取恒定电流曲线（显示在soa边界内恒定电流线的右侧），并假设结点温度在功率mosfet管芯上基本均匀。耗散的功率不会对器件造成灾难性的故障，但是当施加的功率脉冲均匀地分布在芯片表面时，其结温将达到最高保证温度。
典型的fbsoa曲线
功率mosfet的fbsoa曲线
不幸的是，上述假设并不总是正确的。需要考虑的是，与管芯的中心相比，焊接到安装垫的管芯的边缘通常具有较低的温度。与芯片固定过程有关的一些缺陷；如空隙，导热油脂腔等；会影响导热率，从而极大地升高受影响区域的局部温度。与制造工艺缺陷相关的其他方面可能会导致阈值电压（vth）和跨导（gfs）出现波动，从而可能会对器件的热性能产生负面影响。已经发表了许多技术论文，表明新一代低压功率mosfet的能力有限。在电源电压接近其击穿电压（bvdss）额定值的情况下，该器件的soa能力与预期的soa边界大相径庭。进行了验证测试，测试结果似乎表明电流集中现象，该现象仅限于功率mosfet单元结构的特定区域。在较短的脉冲持续时间测试中，与soa边界的偏差更加明显。据推测，这种异常行为是由阈值电压或器件增益随温度的变化引起的。［2-3］图2中修改后的soa曲线突出了低压热不稳定性极限的影响。 spirito等人和其他参考文献介绍的功率mosfet器件。［1-4］ 进行了验证测试，测试结果似乎表明电流集中现象，该现象仅限于功率mosfet单元结构的特定区域。在较短的脉冲持续时间测试中，与soa边界的偏差更加明显。据推测，这种异常行为是由阈值电压或器件增益随温度的变化引起的。［2-3］图2中修改后的soa曲线突出了低压热不稳定性极限的影响。如spirito等人和其他参考文献所述的功率mosfet器件。［1-4］ 进行了验证测试，测试结果似乎表明电流集中现象，该现象仅限于功率mosfet单元结构的特定区域。在较短的脉冲持续时间测试中，与soa边界的偏差更加明显。据推测，这种异常行为是由阈值电压或器件增益随温度的变化引起的。［2-3］图2中修改后的soa曲线突出了低压热不稳定性极限的影响。 spirito等人和其他参考文献介绍的功率mosfet器件。［1-4］
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饱和区
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在高于ztc的vgs处，相对较高温度的高温电池的gfs较低（迁移率随温度降低）。与周围较冷的电池相比，它的电流更少，这使较热的电池可以减少id电流（负反馈）。结果是δid/δt《0（负温度系数）。较热的电池承载的电流较少，这可能导致热稳定。在此vgs级别下运行的设备不太容易发生热失控情况。通常，高电流密度功率mosfet具有更高的跨导（gfs）。gfs越高，传递曲线上的id当前交点（id与vgs）越高。较高的gfs也会导致较高的ztc。在线性模式下选择器件时，要考虑的实际点是选择具有较低ztc值的器件。要了解ztc点的影响，请参考图5和图6。图5显示了vgs随温度变化的行为，id保持恒定。三个id值的选择基于三个操作条件；例如，一个值位于ztc点以下，另一个值位于ztc点，最后一个值位于ztc点以上。注意温度在id高于和低于ztc点时vgs的变化。在ztc点以下，vgs值与温度成反比。对于在ztc点选择的id值，vgs在整个温度范围内保持相对恒定。在ztc点以上，vgs值会根据温度升高而变化。图6显示了vgs值高于，低于和等于ztc点时对漏极电流（id）的影响。如前所述，在ztc点，id保持相对恒定。ztc点上方和下方的id的变化与vgs的方向相反。
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