【導讀】半導體產品具有不同類型的溫度系數。為了用好電阻或正向壓降及其隨溫度的變化等參數，設計師必須充分理解各種器件的溫度系數。本文討論了流行的功率半導體的溫度系數及其在電路中的正確處理。
半導體產品具有不同類型的溫度系數。為了用好電阻或正向壓降及其隨溫度的變化等參數，設計師必須充分理解各種器件的溫度系數。
首先解釋一下正溫度系數和負溫度系數的區別。照例，維基百科對兩者的區別做出了很好的解釋。下面是一些基礎知識：
- 如果一個元件的電阻隨著溫度的上升而減小，那么這個元件就具有負溫度系數。
- 如果一個元件的電阻隨著溫度的上升而增加，那么這個元件就具有正溫度系數。
- 在電阻與溫度關系圖中很容易看出溫度系數的正負極性。隨著溫度的上升，正斜率指示的是正溫度系數，負斜率指示的是負溫度系數。
本文將討論流行的功率半導體的溫度系數及其在電路中的正確處理。維基百科對半導體溫度系數有權威描述。
半導體電阻的負溫度系數
半導體材料溫度的上升將使載流子濃度提高，這將導致更多數量的載流子復合，從而提高半導體的電導率。電導率的提高使半導體材料的電阻隨溫度的上升而減小，形成電阻的負溫度系數。
對于基礎半導體理論，特別是基于結點的器件，比如雙極結型晶體管（BJT）和二極管，這是完全正確的。然而，像MOSFET和IGBT等元件事實上有電阻性溝道，會影響溫度系數的行為。
在工程技術學校，半導體理論總是從半導體結點產生的具有不同p和n濃度的能隙開始講起。通過將能量注入半導體，電子獲得熱能，進而補充電子能量，這樣傳導時就要求更少的正向偏置電流。同樣，當阻斷電壓時，二極管結點的漏電流隨溫度上升而增加。在一個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。隨著它們的快速擴張，波形呈熔巖燈式擴張。幸運的是，在危險發生之前我切斷了電路。只要提一下摩托羅拉不再開展半導體業務就能夠理解了。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測的，因此經常作為測量獨立器件結點溫度的一種方法。
圖1：正向電壓隨溫度上升而下降。
前面提到的溫度系數趨勢與硅有關。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別。
至于MOSFET，它們有著如圖所示的正溫度系數，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，因此具有更高的導通電阻。
圖2：導通電阻 vs 柵-源電壓。
MOSFET電阻隨溫度上升而增加并不全是壞事。它能幫助平衡并聯的MOSFET之間的電流，因為電流總是流向具有最小電阻的路徑。
IGBT其實是一種介于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器件的MOSFET；BT指的是雙極晶體管（實際上是其中兩個），用于傳導大部分電流。從下面的IC與VCE圖中的IGBT曲線可以看出這一點，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。
圖3：IC與VCE圖中的IGBT曲線。
銅具有正溫度系數，其電阻隨著電流的增加而增加。下面是我從參考文獻中引用的一段文字，它對此進行了很好的闡述：
“對導體而言，當溫度上升時電阻會增加，因為電子與振動原子碰撞得更頻繁。這會減少電子的漂移速度（因此電流會減小）。所以導體電阻具有正溫度系數。”
來自主要功率電路元件的溫度系數影響會提高或降低效率。此外，它們會改變元件的溫升。理解這些行為將有益于設計的可靠性和性能。
本文轉載自電子技術設計。
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