功率MOSFET的轉移特性如圖1所示，VGS與電流ID曲線有一個溫度係數為0的電壓值5.5V
，通常這個點就稱為零溫度係數點ZTC（Zero Temperature Coefficient）。VGS高於5.5V時，溫度越高電流越小
，功率MOSFET的RDS是正溫度係數；VGS低於5.5V時，溫度越高電流越大，功率MOSFET的的RDS是負溫度係數。

 

功率MOSFET內部通常是由許多晶胞單元並聯而成
，如圖2所示。通常假定芯片內部處於理想的熱平衡狀態，整個矽片的結溫完全一致。然而在實際條件下
，矽片邊沿熱阻低，如圖3所示；由於矽片焊接的不均勻，各局部區的熱阻也不一致；此外，各局部區的閾值電壓VTH也不完全相同，它們通過的漏極電流
，也就是（VGS-VTH)和跨導乘積
，也不完全相同。上述因素導致局部區溫度也不一樣。

 

功率MOSFET工作在線性區用來限製電流，VGS電(dian)壓(ya)低(di)，通(tong)常(chang)在(zai)負(fu)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)區(qu)，局(ju)部(bu)單(dan)元(yuan)過(guo)熱(re)導(dao)致(zhi)其(qi)流(liu)過(guo)更(geng)大(da)的(de)電(dian)流(liu)，結(jie)果(guo)溫(wen)度(du)更(geng)高(gao)，從(cong)而(er)形(xing)成(cheng)局(ju)部(bu)熱(re)點(dian)導(dao)致(zhi)器(qi)件(jian)損(sun)壞(huai)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)熱(re)電(dian)不(bu)穩(wen)定(ding)性(xing)區(qu)域(yu)ETI (Electro Thermal Instability)，發生於VGS低於溫度係數為0（ZTC）的負溫度係數區。

 

開關電源中功率MOSFET工作於開關狀態
，在截止區和完全導通區之間高頻切換
，由於在切換過程中要經過線性區，因此產生開關損耗。完全導通時，RDSchuyuzhengwenduxishuqu
，jubudanyuandewenduzengjia，dianliujianxiaowendujiangdi，juyouzidongdepinghengdianliudefenpeinengli。danshizaikuayuexianxingqushi
，huichanshengdongtaidebupingheng。

 

對於熱插撥、負載開關、分立LDO的調整管等這一類的應用
，MOSFET較長時間或一直在線性區工作，因此工作狀態和快速開關狀態不同。功率MOSFET工gong作zuo在zai線xian性xing狀zhuang態tai，器qi件jian的de壓ya降jiang和he電dian流liu都dou較jiao大da
，功gong耗hao大da，因yin此ci產chan生sheng高gao的de熱re電dian應ying力li，更geng容rong易yi導dao致zhi熱re不bu平ping衡heng的de發fa生sheng，從cong而er形xing成cheng局ju部bu熱re點dian或huo局ju部bu電dian流liu集ji中zhong，導dao致zhi器qi件jian損sun壞huai；而且，也容易導致寄生的三極管導通，產生二次擊穿，從而損壞器件。

 

圖1：AOT462的轉移特性

 

圖2：功率MOSFET內部晶胞單元

 

圖3：芯片內部散熱差異

 

正溫度係數區主要處決於載流子的產生，負溫度係數區主要處決於載流子的移動，因此表現出來的溫度特性不同。

 

器件的失效處取決於脈衝時間
、散熱條件和功率MOSFET單元平衡性能。通常
，ZTC對應的電流越大
，對應的VGS越大，就越容易發生熱不穩定性問題。而且ZTC直接和跨導相關
，跨導增加
，ZTC點向更高的VGS點移動。

 

相對傳統的平麵工藝，新一代的工藝的MOSFET單元密度大，具有更大的跨導，因此更容易發生熱不穩定性問題。另外，高壓的MOSFET比低壓MOSFET，在ZTC點具有更低的電流和VGS，這是因為高壓MOSFET的epi層厚
，單元的Pitch較低
，而且摻雜也低
，所以RDS隨溫度變化決定著在整個溫度範圍內跨導的變化，因此比低壓MOSFET發生熱不穩定性問題的可能性降低。

 

 

MOSFET的漏極導通特性前麵論述過
，其工作特性有三個工作區：截止區、線性區和‍完全導通區。其中
，線性區也稱恒流區、飽和區
、放大區；完全導通區也稱可變電阻區。

 

功率MOSFET在完全導通區和線性區工作時候
，都可以流過大的電流。理論上，功率MOSFET是單極型器件，N溝道的功率MOSFET
，隻有電子電流


，沒有空穴電流，但是，這隻是針對完全導通的時候；在線性區，還是會同時存在電子和空穴二種電流
，如圖4、圖5和圖6分別所示，完全導通區和線性區工作時，電勢、空穴和電流線分布圖。

 

從電勢分布圖

，功率MOSFET完全導通時
，VDS的壓降低，耗盡層完全消失
；功率MOSFET在線性區工作時

，VDS的電壓比較高，耗盡層仍然存在

，此時由於在EPI耗盡層產生電子-空穴對，空穴也會產生電流，參入電流的導通。

 

空穴電流產生後，就會通過MOSFET內部的BODY體區流向S極，這也導致有可能觸發寄生三極管，對功率MOSFET產生危害。由空、電流線穴分布圖可見：線性區工作時產生明顯的空穴電流，電流線也擴散到P型BODY區。

 

圖4：完全導通（左）和線性區的電勢分布圖

 

圖5：完全導通（左）和線性區的空穴分布圖

 

圖6：完全導通（左）和線性區的電流線分布圖

 

功率MOSFET在線性區工作時
，器件同時承受高的電壓和高的電流時，會產生下麵的問題：

1、內部的電場大



，注入更多的空穴。

2、有效的溝道寬度比完全導通時小。

3、改變Vth和降低擊穿電壓。

4
、Vth低，電流更容易傾向於局部的集中，形成熱點；負溫度係數特性進一步惡化局部熱點。

 

功率MOSFET工作在線性區時
，器件承受高的電壓，耗盡層高壓偏置導致有效的體電荷減小；工作電壓越高
，內部的電場越高，電離加強產生更多電子-空(kong)穴(xue)對(dui)，形(xing)成(cheng)較(jiao)大(da)的(de)空(kong)穴(xue)電(dian)流(liu)。特(te)別(bie)是(shi)如(ru)果(guo)工(gong)藝(yi)不(bu)一(yi)致(zhi)
，局(ju)部(bu)區(qu)域(yu)達(da)到(dao)臨(lin)界(jie)電(dian)場(chang)，會(hui)產(chan)生(sheng)非(fei)常(chang)強(qiang)的(de)電(dian)離(li)和(he)更(geng)大(da)的(de)空(kong)穴(xue)電(dian)流(liu)，增(zeng)加(jia)寄(ji)生(sheng)三(san)極(ji)管(guan)導(dao)通(tong)的(de)風(feng)險(xian)。

 

圖7為通用Trench和SGT屏蔽柵（分離柵）完全導通的電流線，圖7來源於網絡。新一代SGT工藝的功率MOSFET局部區域電流線更密急

，更容易產生局部的電場集中
，因此
，如果不采取特殊的方法進行優化，很難在線性區的工作狀態下使用。

 

圖7：Trench（左）和SGT屏蔽柵電流線分布圖

來源：鬆哥電源