MOSFET雪崩擊穿問題解析- KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-10-09
功率MOSFET在電力電子設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛，因其故障而引起的電子設(shè)備損壞也比較常見。分析研究功率MOSFET故障的原因、后果，對于MOSFET的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重要意義。
在正向偏置工作時，由于功率MOSFET是多數(shù)載流子導(dǎo)電，通常被看成是不存在二次擊穿的器件。但事實(shí)上，當(dāng)功率MOSFET反向偏置時，受電氣量變化（如漏源極電壓、電流變化）的作用，功率MOSFET內(nèi)部載流子容易發(fā)生雪崩式倍增，因而發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。
與雙極性晶體管的二次擊穿不同，MOSFET的雪崩擊穿常在高壓、大電流時發(fā)生，不存在局部熱點(diǎn)的作用；其安全工作范圍也不受脈沖寬度的影響。目前，功率器件的故障研究已經(jīng)從單純的物理結(jié)構(gòu)分析過渡到了器件建模理論仿真模擬層面。因此，本文將從理論上推導(dǎo)MOSFET故障時漏極電流的構(gòu)成，并從微觀電子角度對MOSFET雪崩擊穿現(xiàn)象作詳細(xì)分析。同時，還將對故障時器件的能量、溫度變化關(guān)系作一定的分析。
當(dāng)MOSFET漏極存在大電流Id，高電壓Vd時，器件內(nèi)電離作用加劇，出現(xiàn)大量的空穴電流，經(jīng)Rb流入源極，導(dǎo)致寄生三極管基極電勢Vb升高，出現(xiàn)所謂的“快回(Snap-back)”現(xiàn)象，即在Vb升高到一定程度時，寄生三極管V2導(dǎo)通，集電極（即漏極）電壓快速返回達(dá)到晶體管基極開路時的擊穿電壓（增益很高的晶體管中該值相對較低），從而發(fā)生雪崩擊穿，(大量的研究和試驗(yàn)表明，Ic,SB很小。
另外，由于寄生三極管的增益較大，故在雪崩擊穿時，三極管基極電子、空穴重新結(jié)合所形成的電流，以及從三極管集電極到發(fā)射極空穴移動所形成的電流，只占了MOSFET漏極電流的一小部分；所有的基極電流Ib流過Rb；當(dāng)Ib使基極電位升高到一定程度時，寄生晶體管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，MOSFET漏源極電壓迅速下降，發(fā)生雪崩擊穿故障。
雙極性器件在發(fā)生二次擊穿時，集電極電壓會在故障瞬間很短時間內(nèi)（可能小于1ns）衰減幾百伏。這種電壓銳減主要是由雪崩式注入引起的，主要原因在于：二次擊穿時，器件內(nèi)部電場很大，電流密度也比較大，兩種因素同時存在，一起影響正常時的耗盡區(qū)固定電荷，使載流子發(fā)生雪崩式倍增。?對于不同的器件，發(fā)生雪崩式注入的情況是不同的。
對于雙極性晶體管，除了電場應(yīng)力的原因外，正向偏置時器件的熱不穩(wěn)定性，也有可能使其電流密度達(dá)到雪崩式注入值。而對于MOSFET，由于是多數(shù)載流子器件，通常認(rèn)為其不會發(fā)生正向偏置二次擊穿，而在反向偏置時，只有電氣方面的原因能使其電流密度達(dá)到雪崩注入值，而與熱應(yīng)力無關(guān)。以下對功率MOSFET的雪崩擊穿作進(jìn)一步的分析。
在MOSFET內(nèi)部各層間存在寄生二極管、晶體管（三極管）器件。從微觀角度而言，這些寄生器件都是器件內(nèi)部PN結(jié)間形成的等效器件，它們中的空穴、電子在高速開關(guān)過程中受各種因素的影響，會導(dǎo)致MOSFET的各種不同的表現(xiàn)。
導(dǎo)通時，正向電壓大于門檻電壓，電子由源極經(jīng)體表反轉(zhuǎn)層形成的溝道進(jìn)入漏極，之后直接進(jìn)入漏極節(jié)點(diǎn)；漏極寄生二極管的反向漏電流會在飽和區(qū)產(chǎn)生一個小的電流分量。而在穩(wěn)態(tài)時，寄生二極管、晶體管的影響不大。關(guān)斷時，為使MOSFET體表反轉(zhuǎn)層關(guān)斷，應(yīng)當(dāng)去掉柵極電壓或加反向電壓。這時，溝道電流（漏極電流）開始減少，感性負(fù)載使漏極電壓升高以維持漏極電流恒定。
漏極電壓升高，其電流由溝道電流和位移電流（漏極體二極管耗盡區(qū)生成的，且與dVDS/dt成比例）組成。漏極電壓升高的比率與基極放電以及漏極耗盡區(qū)充電的比率有關(guān)；而后者是由漏－源極電容、漏極電流決定的。在忽略其它原因時，漏極電流越大電壓會升高得越快。如果沒有外部鉗位電路，漏極電壓將持續(xù)升高，則漏極體二極管由于雪崩倍增產(chǎn)生載流子，而進(jìn)入持續(xù)導(dǎo)通模式（Sustaining?Mode）。
此時，全部的漏極電流（此時即雪崩電流）流過體二極管，而溝道電流為零。由上述分析可以看出，可能引起雪崩擊穿的三種電流為漏電流、位移電流（即dVDS/dt電流）、雪崩電流，三者理論上都會激活寄生晶體管導(dǎo)通。寄生晶體管導(dǎo)通使MOSFET由高壓小電流迅速過渡到低壓大電流狀態(tài)，從而發(fā)生雪崩擊穿。
與一般雙極性晶體管的二次擊穿不同，MOSFET雪崩擊穿過程主要是由于寄生晶體管被激活造成的。MOSFET由于工作在高頻狀態(tài)下，其熱應(yīng)力、電應(yīng)力環(huán)境都比較惡劣，一般認(rèn)為如果外部電氣條件達(dá)到寄生三極管的導(dǎo)通門檻值，則會引起MOSFET故障。在實(shí)際應(yīng)用中，必須綜合考慮MOSFET的工作條件以及范圍，合理地選擇相應(yīng)的器件以達(dá)到性能與成本的最佳優(yōu)化。
另一方面，在發(fā)生雪崩擊穿時，功率器件內(nèi)部的耗散功率會引起器件的發(fā)熱，可能導(dǎo)致器件燒毀。在新的功率MOSFET器件中，能量耗散能力、抑制溫升能力的已經(jīng)成為一個很重要的指標(biāo)。
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