【導(dǎo)讀】半導(dǎo)體產(chǎn)品具有不同類型的溫度系數(shù)。為了用好電阻或正向壓降及其隨溫度的變化等參數(shù)，設(shè)計(jì)師必須充分理解各種器件的溫度系數(shù)。本文討論了流行的功率半導(dǎo)體的溫度系數(shù)及其在電路中的正確處理。
半導(dǎo)體產(chǎn)品具有不同類型的溫度系數(shù)。為了用好電阻或正向壓降及其隨溫度的變化等參數(shù)，設(shè)計(jì)師必須充分理解各種器件的溫度系數(shù)。
首先解釋一下正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的區(qū)別。照例，維基百科對(duì)兩者的區(qū)別做出了很好的解釋。下面是一些基礎(chǔ)知識(shí)：
- 如果一個(gè)元件的電阻隨著溫度的上升而減小，那么這個(gè)元件就具有負(fù)溫度系數(shù)。
- 如果一個(gè)元件的電阻隨著溫度的上升而增加，那么這個(gè)元件就具有正溫度系數(shù)。
- 在電阻與溫度關(guān)系圖中很容易看出溫度系數(shù)的正負(fù)極性。隨著溫度的上升，正斜率指示的是正溫度系數(shù)，負(fù)斜率指示的是負(fù)溫度系數(shù)。
本文將討論流行的功率半導(dǎo)體的溫度系數(shù)及其在電路中的正確處理。維基百科對(duì)半導(dǎo)體溫度系數(shù)有權(quán)威描述。
半導(dǎo)體電阻的負(fù)溫度系數(shù)
半導(dǎo)體材料溫度的上升將使載流子濃度提高，這將導(dǎo)致更多數(shù)量的載流子復(fù)合，從而提高半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率的提高使半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度的上升而減小，形成電阻的負(fù)溫度系數(shù)。
對(duì)于基礎(chǔ)半導(dǎo)體理論，特別是基于結(jié)點(diǎn)的器件，比如雙極結(jié)型晶體管（BJT）和二極管，這是完全正確的。然而，像MOSFET和IGBT等元件事實(shí)上有電阻性溝道，會(huì)影響溫度系數(shù)的行為。
在工程技術(shù)學(xué)校，半導(dǎo)體理論總是從半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的具有不同p和n濃度的能隙開始講起。通過將能量注入半導(dǎo)體，電子獲得熱能，進(jìn)而補(bǔ)充電子能量，這樣傳導(dǎo)時(shí)就要求更少的正向偏置電流。同樣，當(dāng)阻斷電壓時(shí)，二極管結(jié)點(diǎn)的漏電流隨溫度上升而增加。在一個(gè)功率因子校正電路中我首次親眼看到一些600V硅肖特基二極管開始碎裂。隨著它們的快速擴(kuò)張，波形呈熔巖燈式擴(kuò)張。幸運(yùn)的是，在危險(xiǎn)發(fā)生之前我切斷了電路。只要提一下摩托羅拉不再開展半導(dǎo)體業(yè)務(wù)就能夠理解了。下面來看圖吧。
從圖1中可以看出，正向電壓隨溫度上升而下降。正向電壓的這種改變是可預(yù)測(cè)的，因此經(jīng)常作為測(cè)量獨(dú)立器件結(jié)點(diǎn)溫度的一種方法。
圖1：正向電壓隨溫度上升而下降。
前面提到的溫度系數(shù)趨勢(shì)與硅有關(guān)。碳化硅（SiC）和氮化鍺（GaN）等較新材料的溫度變化與硅有很大區(qū)別。
至于MOSFET，它們有著如圖所示的正溫度系數(shù)，其中的Rds(on)隨溫度上升而增加。這是由MOSFET基底本身的電阻和器件的厚度造成的。更厚的器件可以承受更高的電壓，因此具有更高的導(dǎo)通電阻。
圖2：導(dǎo)通電阻 vs 柵-源電壓。
MOSFET電阻隨溫度上升而增加并不全是壞事。它能幫助平衡并聯(lián)的MOSFET之間的電流，因?yàn)殡娏骺偸橇飨蚓哂凶钚‰娮璧穆窂健?/div>
IGBT其實(shí)是一種介于BJT和MOSFET之間的混合器件。IGBT的IG或絕緣柵極部分指的是觸發(fā)器件的MOSFET；BT指的是雙極晶體管（實(shí)際上是其中兩個(gè)），用于傳導(dǎo)大部分電流。從下面的IC與VCE圖中的IGBT曲線可以看出這一點(diǎn)，它不像MOSFET那樣提供基于電阻的圖形。注意斜率改變處的交叉點(diǎn)。
圖3：IC與VCE圖中的IGBT曲線。
銅具有正溫度系數(shù)，其電阻隨著電流的增加而增加。下面是我從參考文獻(xiàn)中引用的一段文字，它對(duì)此進(jìn)行了很好的闡述：
“對(duì)導(dǎo)體而言，當(dāng)溫度上升時(shí)電阻會(huì)增加，因?yàn)殡娮优c振動(dòng)原子碰撞得更頻繁。這會(huì)減少電子的漂移速度（因此電流會(huì)減?。?。所以導(dǎo)體電阻具有正溫度系數(shù)。”
來自主要功率電路元件的溫度系數(shù)影響會(huì)提高或降低效率。此外，它們會(huì)改變?cè)臏厣?。理解這些行為將有益于設(shè)計(jì)的可靠性和性能。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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