功率MOSFET線性區(qū)、完全導(dǎo)通區(qū)的電場(chǎng)和電流分布

MOSFET的漏極導(dǎo)通特性如圖1所示，其工作特性有三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)、線性區(qū)和‍完全導(dǎo)通區(qū)。其中，線性區(qū)也稱恒流區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū);完全導(dǎo)通區(qū)也稱可變電阻區(qū)。

圖1：MOSFET的漏極導(dǎo)通特性

通常MOSFET工作于開關(guān)狀態(tài)，在截止區(qū)和完全導(dǎo)通區(qū)之間高頻切換，由于在切換過程中要經(jīng)過線性區(qū)，因此產(chǎn)生開關(guān)損耗。對(duì)于熱插撥、負(fù)載開關(guān)、分立LDO的調(diào)整管等這一類的應(yīng)用，MOSFET較長(zhǎng)時(shí)間或一直在線性區(qū)工作，因此工作狀態(tài)不同。

功率MOSFET在完全導(dǎo)通區(qū)和線性區(qū)工作時(shí)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，只有電子電流，沒有空穴電流，但是，這只是針對(duì)完全導(dǎo)通的時(shí)候;在線性區(qū)，還是會(huì)同時(shí)存在電子和空穴二種電流，如圖2、圖3和圖4分別所示，完全導(dǎo)通區(qū)和線性區(qū)工作時(shí)，電勢(shì)、空穴和電流線分布圖。

從電勢(shì)分布圖，功率MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)，VDS的壓降低，耗盡層完全消失;功率MOSFET在線性區(qū)工作時(shí)，VDS的電壓比較高，耗盡層仍然存在，此時(shí)由于在EPI耗盡層產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，空穴也會(huì)產(chǎn)生電流，參入電流的導(dǎo)通。

空穴電流產(chǎn)生后，就會(huì)通過MOSFET內(nèi)部的BODY體區(qū)流向S極，這也導(dǎo)致有可能觸發(fā)寄生三極管，對(duì)功率MOSFET產(chǎn)生危害。由空、電流線穴分布圖可見：線性區(qū)工作時(shí)產(chǎn)生明顯的空穴電流，電流線也擴(kuò)散到P型BODY區(qū)。

圖2：完全導(dǎo)通(左)和線性區(qū)的電勢(shì)分布圖

圖3：完全導(dǎo)通(左)和線性區(qū)的空穴分布圖

圖4：完全導(dǎo)通(左)和線性區(qū)的電流線分布圖

功率MOSFET在線性區(qū)工作時(shí)，器件同時(shí)承受高的電壓和高的電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生下面的問題：

1、內(nèi)部的電場(chǎng)大，注入更多的空穴。

2、有效的溝道寬度比完全導(dǎo)通時(shí)小。

3、改變Vth和降低擊穿電壓。

4、Vth低，電流更容易傾向于局部的集中，形成熱點(diǎn);負(fù)溫度系數(shù)特性進(jìn)一步惡化局部熱點(diǎn)。

功率MOSFET工作在線性區(qū)時(shí)，器件承受高的電壓，耗盡層高壓偏置導(dǎo)致有效的體電荷減小;工作電壓越高，內(nèi)部的電場(chǎng)越高，電離加強(qiáng)產(chǎn)生更多電子-空穴對(duì)，形成較大的空穴電流。特別是如果工藝不一致，局部區(qū)域達(dá)到臨界電場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的電離和更大的空穴電流，增加寄生三極管導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5為通用Trench和SGT屏蔽柵(分離柵)完全導(dǎo)通的電流線。注：圖5來源于網(wǎng)絡(luò)?？梢钥吹剑乱淮鶶GT工藝的功率MOSFET局部區(qū)域電流線更密急，更容易產(chǎn)生局部的電場(chǎng)集中，因此，如果不采取特殊的方法，很難在線性區(qū)的工作狀態(tài)下使用。

圖5：Trench(左)和SGT屏蔽柵電流線分布圖