功率MOSFET线性区、完全导通区的电场和电流分布

MOSFET的漏极导通特性如图1所示，其工作特性有三个工作区：截止区、线性区和‍完全导通区。其中，线性区也称恒流区、饱和区、放大区；完全导通区也称可变电阻区。

图1：MOSFET的漏极导通特性

通常MOSFET工作于开关状态，在截止区和完全导通区之间高频切换，由于在切换过程中要经过线性区，因此产生开关损耗。对于热插拨、负载开关、分立LDO的调整管等这一类的应用，MOSFET较长时间或一直在线性区工作，因此工作状态不同。

功率MOSFET在完全导通区和线性区工作时候，都可以流过大的电流。理论上，功率MOSFET是单极型器件，N沟道的功率MOSFET，只有电子电流，没有空穴电流，但是，这只是针对完全导通的时候；在线性区，还是会同时存在电子和空穴二种电流，如图2、图3和图4分别所示，完全导通区和线性区工作时，电势、空穴和电流线分布图。

从电势分布图，功率MOSFET完全导通时，VDS的压降低，耗尽层完全消失；功率MOSFET在线性区工作时，VDS的电压比较高，耗尽层仍然存在，此时由于在EPI耗尽层产生电子-空穴对，空穴也会产生电流，参入电流的导通。

空穴电流产生后，就会通过MOSFET内部的BODY体区流向S极，这也导致有可能触发寄生三极管，对功率MOSFET产生危害。由空、电流线穴分布图可见：线性区工作时产生明显的空穴电流，电流线也扩散到P型BODY区。

图2：完全导通（左）和线性区的电势分布图

图3：完全导通（左）和线性区的空穴分布图

图4：完全导通（左）和线性区的电流线分布图

功率MOSFET在线性区工作时，器件同时承受高的电压和高的电流时，会产生下面的问题：

1、内部的电场大，注入更多的空穴。

2、有效的沟道宽度比完全导通时小。

3、改变Vth和降低击穿电压。

4、Vth低，电流更容易倾向于局部的集中，形成热点；负温度系数特性进一步恶化局部热点。

功率MOSFET工作在线性区时，器件承受高的电压，耗尽层高压偏置导致有效的体电荷减小；工作电压越高，内部的电场越高，电离加强产生更多电子-空穴对，形成较大的空穴电流。特别是如果工艺不一致，局部区域达到临界电场，会产生非常强的电离和更大的空穴电流，增加寄生三极管导通的风险。

图5为通用Trench和SGT屏蔽栅（分离栅）完全导通的电流线。注：图5来源于网络。可以看到，新一代SGT工艺的功率MOSFET局部区域电流线更密急，更容易产生局部的电场集中，因此，如果不采取特殊的方法，很难在线性区的工作状态下使用。

图5：Trench（左）和SGT屏蔽栅电流线分布图

对于热插拨、负载开关、使用MOSFET作调整管的LDO这一类的应用，MOSFET较长时间在线性区工作或一直在线性区工作，就要特别小心，具体的设计要求，以后推文具体介绍。