MOSFET雪崩擊穿問(wèn)題解析- KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-10-09
功率MOSFET在電力電子設備中應用十分廣泛，因其故障而引起的電子設備損壞也比較常見(jiàn)。分析研究功率MOSFET故障的原因、后果，對于MOSFET的進(jìn)一步推廣應用具有重要意義。
在正向偏置工作時(shí)，由于功率MOSFET是多數載流子導電，通常被看成是不存在二次擊穿的器件。但事實(shí)上，當功率MOSFET反向偏置時(shí)，受電氣量變化（如漏源極電壓、電流變化）的作用，功率MOSFET內部載流子容易發(fā)生雪崩式倍增，因而發(fā)生雪崩擊穿現象。
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(shí)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)從單純的物理結構分析過(guò)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MOSFET故障時(shí)漏極電流的構成，并從微觀(guān)電子角度對MOSFET雪崩擊穿現象作詳細分析。同時(shí)，還將對故障時(shí)器件的能量、溫度變化關(guān)系作一定的分析。
當MOSFET漏極存在大電流Id，高電壓Vd時(shí)，器件內電離作用加劇，出現大量的空穴電流，經(jīng)Rb流入源極，導致寄生三極管基極電勢Vb升高，出現所謂的“快回(Snap-back)”現象，即在Vb升高到一定程度時(shí)，寄生三極管V2導通，集電極（即漏極）電壓快速返回達到晶體管基極開(kāi)路時(shí)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(shí)，三極管基極電子、空穴重新結合所形成的電流，以及從三極管集電極到發(fā)射極空穴移動(dòng)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(guò)Rb；當Ib使基極電位升高到一定程度時(shí)，寄生晶體管進(jìn)入導通狀態(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(shí)，集電極電壓會(huì )在故障瞬間很短時(shí)間內（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(shí)，器件內部電場(chǎng)很大，電流密度也比較大，兩種因素同時(shí)存在，一起影響正常時(shí)的耗盡區固定電荷，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(chǎng)應力的原因外，正向偏置時(shí)器件的熱不穩定性，也有可能使其電流密度達到雪崩式注入值。而對于MOSFET，由于是多數載流子器件，通常認為其不會(huì )發(fā)生正向偏置二次擊穿，而在反向偏置時(shí)，只有電氣方面的原因能使其電流密度達到雪崩注入值，而與熱應力無(wú)關(guān)。以下對功率MOSFET的雪崩擊穿作進(jìn)一步的分析。
在MOSFET內部各層間存在寄生二極管、晶體管（三極管）器件。從微觀(guān)角度而言，這些寄生器件都是器件內部PN結間形成的等效器件，它們中的空穴、電子在高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中受各種因素的影響，會(huì )導致MOSFET的各種不同的表現。
導通時(shí)，正向電壓大于門(mén)檻電壓，電子由源極經(jīng)體表反轉層形成的溝道進(jìn)入漏極，之后直接進(jìn)入漏極節點(diǎn)；漏極寄生二極管的反向漏電流會(huì )在飽和區產(chǎn)生一個(gè)小的電流分量。而在穩態(tài)時(shí)，寄生二極管、晶體管的影響不大。關(guān)斷時(shí)，為使MOSFET體表反轉層關(guān)斷，應當去掉柵極電壓或加反向電壓。這時(shí)，溝道電流（漏極電流）開(kāi)始減少，感性負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(shí)，漏極電流越大電壓會(huì )升高得越快。如果沒(méi)有外部鉗位電路，漏極電壓將持續升高，則漏極體二極管由于雪崩倍增產(chǎn)生載流子，而進(jìn)入持續導通模式（Sustaining?Mode）。
此時(shí)，全部的漏極電流（此時(shí)即雪崩電流）流過(guò)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(huì )激活寄生晶體管導通。寄生晶體管導通使MOSFET由高壓小電流迅速過(guò)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(guò)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，其熱應力、電應力環(huán)境都比較惡劣，一般認為如果外部電氣條件達到寄生三極管的導通門(mén)檻值，則會(huì )引起MOSFET故障。在實(shí)際應用中，必須綜合考慮MOSFET的工作條件以及范圍，合理地選擇相應的器件以達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(shí)，功率器件內部的耗散功率會(huì )引起器件的發(fā)熱，可能導致器件燒毀。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(gè)很重要的指標。
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