半导体产品具有不同类型的温度系数。为了用好电阻或正向压降及其随温度的变化等参数,设计师必须充分理解各种器件的温度系数。

首先解释一下正温度系数和负温度系数的区别。照例,维基百科对两者的区别做出了很好的解释。下面是一些基础知识:

  • 如果一个元件的电阻随着温度的上升而减小,那么这个元件就具有负温度系数。
  • 如果一个元件的电阻随着温度的上升而增加,那么这个元件就具有正温度系数。
  • 在电阻与温度关系图中很容易看出温度系数的正负极性。随着温度的上升,正斜率指示的是正温度系数,负斜率指示的是负温度系数。

本文将讨论流行的功率半导体的温度系数及其在电路中的正确处理。维基百科对半导体温度系数有权威描述。

半导体电阻的负温度系数

半导体材料温度的上升将使载流子浓度提高,这将导致更多数量的载流子复合,从而提高半导体的电导率。电导率的提高使半导体材料的电阻随温度的上升而减小,形成电阻的负温度系数。

对于基础半导体理论,特别是基于结点的器件,比如双极结型晶体管(BJT)和二极管,这是完全正确的。然而,像MOSFET和IGBT等元件事实上有电阻性沟道,会影响温度系数的行为。

在工程技术学校,半导体理论总是从半导体结点产生的具有不同p和n浓度的能隙开始讲起。通过将能量注入半导体,电子获得热能,进而补充电子能量,这样传导时就要求更少的正向偏置电流。同样,当阻断电压时,二极管结点的漏电流随温度上升而增加。在一个功率因子校正电路中我首次亲眼看到一些600V硅肖特基二极管开始碎裂。随着它们的快速扩张,波形呈熔岩灯式扩张。幸运的是,在危险发生之前我切断了电路。只要提一下摩托罗拉不再开展半导体业务就能够理解了。下面来看图吧。

从图1中可以看出,正向电压随温度上升而下降。正向电压的这种改变是可预测的,因此经常作为测量独立器件结点温度的一种方法。

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图1:正向电压随温度上升而下降。

前面提到的温度系数趋势与硅有关。碳化硅(SiC)和氮化锗(GaN)等较新材料的温度变化与硅有很大区别。

至于MOSFET,它们有着如图所示的正温度系数,其中的Rds(on)随温度上升而增加。这是由MOSFET基底本身的电阻和器件的厚度造成的。更厚的器件可以承受更高的电压,因此具有更高的导通电阻。

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图2:导通电阻 vs 栅-源电压。

MOSFET电阻随温度上升而增加并不全是坏事。它能帮助平衡并联的MOSFET之间的电流,因为电流总是流向具有最小电阻的路径。

IGBT其实是一种介于BJT和MOSFET之间的混合器件。IGBT的IG或绝缘栅极部分指的是触发器件的MOSFET;BT指的是双极晶体管(实际上是其中两个),用于传导大部分电流。从下面的IC与VCE图中的IGBT曲线可以看出这一点,它不像MOSFET那样提供基于电阻的图形。注意斜率改变处的交叉点。

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图3:IC与VCE图中的IGBT曲线。

铜具有正温度系数,其电阻随着电流的增加而增加。下面是我从参考文献中引用的一段文字,它对此进行了很好的阐述:

“对导体而言,当温度上升时电阻会增加,因为电子与振动原子碰撞得更频繁。这会减少电子的漂移速度(因此电流会减小)。所以导体电阻具有正温度系数。”

来自主要功率电路元件的温度系数影响会提高或降低效率。此外,它们会改变元件的温升。理解这些行为将有益于设计的可靠性和性能。

《电子技术设计》2017年9月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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