功率MOSFET的UIS雪崩損壞模式

功率MOSFET的UIS雪崩損壞有三種模式：熱損壞、寄生三極管導(dǎo)通損壞和VGS尖峰誤觸發(fā)導(dǎo)通損壞。

1、熱損壞

功率MOSFET在功率脈沖的作用下進入UIS雪崩的工作狀態(tài)，VDS電壓增加，體到epi-結(jié)的電場也增加，當(dāng)場強增加到臨界值時（硅中大約為3*e5V/cm），產(chǎn)生載流子的雪崩倍增，導(dǎo)致電流突然急劇增加。雪崩倍增并不是一個損壞的過程，在這個過程中，由于功耗增加導(dǎo)致硅片的結(jié)溫升高，當(dāng)結(jié)溫升高到硅片特性允許的臨界值，失效將發(fā)生。

傳統(tǒng)的平面工藝的功率MOSFET，由于單元密度小、工藝簡單，單元的一致性好，溝道產(chǎn)生的熱量可以在單元之間的空間很好的傳導(dǎo)，在大多數(shù)情況下，硅片不同區(qū)域的溫度差異小，雪崩過程產(chǎn)生的損壞，就完全由硅片整體的熱擊穿所決定。

功率MOSFET邊沿在生產(chǎn)切割過程中可能有應(yīng)力損傷產(chǎn)生大的漏電流，導(dǎo)致?lián)舸╇妷汉烷L期穩(wěn)定性下降，雪崩能力變差，在結(jié)構(gòu)上可以通過在邊緣加場板或場環(huán)來提高。

2、寄生三極管導(dǎo)通損壞

功率MOSFET在UIS雪崩過程中，電壓增加時，體到epi-結(jié)的電場也增加，當(dāng)場強增加到臨界值時（硅中大約為3*e5V/cm），產(chǎn)生載流子的雪崩倍增，導(dǎo)致電流突然急劇增加，同時熱產(chǎn)生的載流子在外延區(qū)形成，產(chǎn)生熱點。

功率MOSFET內(nèi)部的結(jié)構(gòu)具有一個寄生的三極管，電流流過的通路包括空穴電流流過的路徑IH(IH=ID)，就有可能產(chǎn)生高的電流密度，當(dāng)VBE=IH*(Rp+Rc)>0.7V時，基級電流IB增加和三級管的放大作用促使局部的寄生三極管導(dǎo)通。其中，Rp為源極下體的夾擠電阻，Rc為連接電阻。

圖1：溝漕MOSFET單元結(jié)構(gòu)：寄生NPN和寄生基極電阻Rp及Rc

此狀態(tài)發(fā)生后，柵極不再能夠關(guān)斷MOSFET的電流。由于局部的不一致性，那些弱的單元，寄生的三極管導(dǎo)通后，NPN管有負的溫度系數(shù)，在高溫大電流的條件下導(dǎo)通，會導(dǎo)致溫度越高的單元分擔(dān)越多的電流，這樣在弱的單元，產(chǎn)生電流熔絲效應(yīng)，從而導(dǎo)致失控發(fā)生。

即便是短的低能量的高壓脈沖，只有高于臨界的電流密度時才發(fā)生失效。高的Rp值和Rc值降低了UIS能力，新一代功率MOSFET結(jié)構(gòu)中，如高壓超結(jié)SJ以及低中壓屏蔽柵SGT工藝，采用高電流密度單元結(jié)構(gòu)，三極管放大倍數(shù)非常高，雖然Rp值并不大，但是Rp和Rc都會隨著溫度的增加而增加，射-基的開啟電壓VBE隨著溫度增加而減小，UIS能力隨溫度增加而降低。

同時，新一代的結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，增加了單元性能的不一致性；單元密度大，相互間加熱，容易導(dǎo)致發(fā)熱和溫升的局部集中，從而影響UIS雪崩能力。

另外，體內(nèi)二極管反向恢復(fù)期間，漏極的電壓快速的上升會使寄生的雙極型晶體管導(dǎo)通，漏極電壓快速上升，然而少數(shù)載流子重組導(dǎo)致發(fā)射結(jié)正偏，使晶體管導(dǎo)通，器件損壞。以后在二極管的內(nèi)容中再來討論。

電感值降低時，電流上升快，功率MOSFET管雪崩產(chǎn)生的熱量，由于內(nèi)部熱容的延遲效應(yīng)，不能及時的耗散出去，更容易導(dǎo)致局部的單元過熱而損壞，因此雪崩能量下降。

(a) 寄生三極管導(dǎo)通形成損壞

(b) 熱損壞

圖2：UIS雪崩損壞模式（VDD=150V，L=1mH，起始溫度25C）

3、VGS尖峰誤觸發(fā)導(dǎo)通損壞

功率MOSFET在UIS雪崩過程中硅片的溫度升高，VGS的閾值急劇降低，同時在雪崩過程中，VDS的電壓耦合到G極，在G、S上產(chǎn)生的電壓VGS高于的閾值，MOSFET誤觸發(fā)而開通，導(dǎo)致瞬態(tài)的大電流流過硅片局部區(qū)域，產(chǎn)生電流熔絲效應(yīng)，從而損壞功率MOSFET，在這個過程中，通常也會疊加寄生三極管導(dǎo)通的損壞機理。

在實際應(yīng)用中，UIS雪崩較少以這種方式發(fā)生失效。

4、雪崩損壞

圖3示出了UIS雪崩損壞的測試波形和失效圖。

(a) 測試波形，L=100uH

(b) 失效圖

圖3：UIS雪崩損壞波形和失效圖

5、什么應(yīng)用條件要考慮雪崩能量？

在實際的應(yīng)用中，雪崩的損壞大多是因為多個極端邊界條件共同的作用，例如：高溫下，系統(tǒng)輸出短路及過載測試，輸入過電壓測試以及動態(tài)的老化測試中。過壓損壞通常直接理解為雪崩失效損壞，因為雪崩的過程伴隨著過壓的現(xiàn)象，只有那些在MOSFET的D和S極產(chǎn)生較大的電壓尖峰應(yīng)用，就要考慮器件的雪崩能量。

電壓尖峰產(chǎn)生的能量主要由電感和電流所決定，對于反激應(yīng)用，MOSFET關(guān)斷時會產(chǎn)生較大的電壓尖峰：VIN+輸出反射電壓+漏感，正常的情況下，有箝位電路，功率器件都會降額，從而留有足夠的電壓余量，不會出現(xiàn)問題。

但是，在一些極端條件下，測試輸出短路啟動或工作中短路，然后短路保護起作用，系統(tǒng)關(guān)斷，然后重起，如此反復(fù)，輸出短路時，初級電感可能會飽和，產(chǎn)生較大的電流，箝位電路工作有可能不正常工作，漏感產(chǎn)生較大尖峰，器件就會有雪崩損壞的可能，因此在這樣的應(yīng)用條件下，就要考慮器件的雪崩能量。

一些電機負載由于是感性負載，而且啟動和堵轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生極大的沖擊電流，因此這樣的應(yīng)用也要考慮器件的雪崩能量。