雪崩击穿

原理

　　随着反向电压的提高，空间电荷区内电场增强，通过势垒区的载流子获得的能量也随之增加。当反向电压接近击穿电压UB时，这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离，产生新的电子-空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其它的中性原子使之电离，再产生更多的电子-空穴对。这种连锁反应继续下去，使空间电荷区内的载流子数量剧增，就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，产生击穿。所以把这种击穿称为雪崩击穿。

　　雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低、外加电压又较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较低的PN结，空间电荷区宽度较宽，发生碰撞电离的机会较多。

理论分析

　　当 MOSFET 漏极存在大电流 Id,高电压 Vd 时,器件内电离作用加剧,出现大量的空穴电流,经 Rb 流入源极,导致寄生三极管 基极电势 Vb 升高,出现所谓的"快回(Snap-back)"现象,即在 Vb 升高到一定程度 时,寄生三极管 V2 导通,集电极(即漏极)电压快速返回达到晶体管基极开路时的 击穿电压(增益很高的晶体管中该值相对较低),从而发生雪崩击穿,(大量的研究 和试验表明,Ic,SB 很小.另外,由于寄生三极管的增益较大,故在雪崩击穿时, 三极管基极电子,空穴重新结合所形成的电流,以及从三极管集电极到发射极空穴 移动所形成的电流,只占了 MOSFET 漏极电流的一小部分;所有的基极电流 Ib 流过 Rb;当 Ib 使基极电位升高到一定程度时,寄生晶体管进入导通状态,MOSFET 漏源 极电压迅速下降,发生雪崩击穿故障.

微观分析

　　双极性器件在发生二次击穿时,集电极电 压会在故障瞬间很短时间内(可能小于 1ns)衰减几百伏.这种电压锐减主要是由 雪崩式注入引起的,主要原因在于:二次击穿时,器件内部电场很大,电流密度也 比较大,两种因素同时存在,一起影响正常时的耗尽区固定电荷,使载流子发生雪 崩式倍增. 对于不同的器件, 发生雪崩式注入的情况是不同的. 对于双极性晶体管, 除了电场应力的原因外,正向偏置时器件的热不稳定性,也有可能使其电流密度达 到雪崩式注入值.而对于 MOSFET,由于是多数载流子器件,通常认为其不会发生正 向偏置二次击穿,而在反向偏置时,只有电气方面的原因能使其电流密度达到雪崩 注入值, 而与热应力无关. 以下对功率 MOSFET 的雪崩击穿作进一步的分析. MOSFET 在 内部各层间存在寄生二极管,晶体管(三极管)器件.从微观角度而言,这些寄生 器件都是器件内部 PN 结间形成的等效器件,它们中的空穴,电子在高速开关过程中 受各种因素的影响,会导致 MOSFET 的各种不同的表现.导通时,正向电压大于门槛 电压,电子由源极经体表反转层形成的沟道进入漏极,之后直接进入漏极节点;漏 极寄生二极管的反向漏电流会在饱和区产生一个小的电流分量.而在稳态时,寄生 二极管,晶体管的影响不大.关断时,为使 MOSFET 体表反转层关断,应当去掉栅极 电压或加反向电压.这时,沟道电流(漏极电流)开始减少,感性负载使漏极电压 升高以维持漏极电流恒定.漏极电压升高,其电流由沟道电流和位移电流(漏极体 二极管耗尽区生成的,且与 dVDS/dt 成比例)组成.漏极电压升高的比率与基极放 电以及漏极耗尽区充电的比率有关;而后者是由漏-源极电容,漏极电流决定的. 在忽略其它原因时,漏极电流越大电压会升高得越快.如果没有外部钳位电路,漏 极电压将持续升高,则漏极体二极管由于雪崩倍增产生载流子,而进入持续导通模 式(Sustaining Mode).此时,全部的漏极电流(此时即雪崩电流)流过体二极管, 而沟道电流为零.由上述分析可以看出,可能引起雪崩击穿的三种电流为漏电流, 位移电流(即 dVDS/dt 电流),雪崩电流,三者理论上都会激活寄生晶体管导通. 寄生晶体管导通使 MOSFET 由高压小电流迅速过渡到低压大电流状态, 从而发生雪崩 击穿.

时能量与温度的变化

　　在开关管雪崩击穿过程中, 能量集中在功率 器件各耗散层和沟道中,在寄生三极管激活导通发生二次击穿时,MOSFET 会伴随急 剧的发热现象,这是能量释放的表现.以下对雪崩击穿时能量耗散与温升的关系进 行分析.雪崩击穿时的耗散能量与温升的关系为 电流呈线性增长,增长率为

　　ΔθM∝

　　雪崩击穿开始时, di/dt=VBR/L(13)式中:VBR 为雪崩击穿电压(假设 为恒定);L 为漏极电路电感.若此时 MOSFET 未发生故障,则在关断时刻之前,其 内部耗散的能量为

　　E=LIo2(14)

　　式中:E 为耗散能量;Io 为关断前的漏极电流. 随着能量的释放,器件温度发生变化,其瞬时释放能量值为

　　P(t)=i(t)v=i(t)VBR

　　式中: i(t)=Io-t (16) 到任意时刻 t 所耗散的能量为 (17)在一定时间 t 后,一定的耗散功率下,温升为 方法表示温升为 E=Pdt=L(Io2-i2) Δθ=PoK(18)式中:K=,

　　其中 ρ 为密度;k 为电导率;c 为热容量.实际上耗散功率不是恒定的,用叠加的

　　Δθ=PoK-δPnK(19)

　　式中:Pn=δinVBR=VBRδt; Po=IoVBR; δt=tn-tn-1;tm=t=.则温升可以表示为

　　Δθ(t)=PoK-Kδt(20)

　　可以表示成 积分形式为

　　Δθ(t)=PoK-Kdτ(21)

　　在某一时刻 t 温升表达式为

　　Δθ(t)=PoK- K(22)

　　将温升表达式规范化处理,得 =(23)式中:tf=,为电流 i=0 的时刻;ΔθM 为温升(t=tf/2 时).则由式(22)得 Δθ=PoK=IoVBRK(24)

　　由上面的分析过程 可以看出,在功率 MOSFET 发生雪崩击穿时,器件温度与初始电流,以及器件本身的 性能有关.在雪崩击穿后如果没有适当的缓冲,抑制措施,随着电流的增大,器件 发散内部能量的能力越来越差,温度上升很快,很可能将器件烧毁.在现代功率半 导体技术中,MOSFET 设计,制造的一个很重要方面就是优化单元结构,促进雪崩击 穿时的能量耗散能力