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功率MOSFET线性区、完全导通区的电场和电流分布

2019-05-24 16:02 来源:互联网 编辑:Angelina

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。

功率MOSFET线性区、完全导通区的电场和电流分布

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。

功率MOSFET线性区、完全导通区的电场和电流分布

图2:完全导通(左)和线性区的电势分布图

功率MOSFET线性区、完全导通区的电场和电流分布

图3:完全导通(左)和线性区的空穴分布图

功率MOSFET线性区、完全导通区的电场和电流分布

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。

功率MOSFET线性区、完全导通区的电场和电流分布

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。

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