功率MOSFET雪崩擊穿問題分析

功率MOSFET雪崩擊穿問題分析

摘要：分析了功率MOSFET雪崩擊穿的原因，以及MOSFET故障時(shí)能量耗散與器件溫升的關(guān)系。和傳統(tǒng)的雙極性晶體管相比，反向偏置時(shí)MOSFET雪崩擊穿過(guò)程不存在“熱點(diǎn)”的作用，而電氣量變化卻十分復(fù)雜。寄生器件在MOSFET的雪崩擊穿中起著決定性的作用，寄生晶體管的激活導(dǎo)通是其雪崩擊穿的主要原因。在MOSFET發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，器件內(nèi)部能量的耗散會(huì)使器件溫度急劇升高。

關(guān)鍵詞：雙極性晶體管；功率MOSFET；雪崩擊穿；寄生晶體管；能量耗散

1??? 引言

??? 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(duì)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(shí)，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(shí)，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(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(jié)構(gòu)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(dǎo)MOSFET故障時(shí)漏極電流的構(gòu)成，并從微觀電子角度對(duì)MOSFET雪崩擊穿現(xiàn)象作詳細(xì)分析。同時(shí)，還將對(duì)故障時(shí)器件的能量、溫度變化關(guān)系作一定的分析。

2??? 功率MOSFET雪崩擊穿理論分析

??? 圖1(a)為MOSFET的體內(nèi)等效電路，其中含有一個(gè)寄生的雙極性晶體管V₂，它的集電極、發(fā)射極同時(shí)也是MOSFET的漏極和源極。當(dāng)MOSFET漏極存在大電流I_d，高電壓V_d時(shí)，器件內(nèi)電離作用加劇，出現(xiàn)大量的空穴電流，經(jīng)R_b流入源極，導(dǎo)致寄生三極管基極電勢(shì)V_b升高，出現(xiàn)所謂的“快回(Snap-back)”現(xiàn)象，即在V_b升高到一定程度時(shí)，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(shí)的擊穿電壓（增益很高的晶體管中該值相對(duì)較低），從而發(fā)生雪崩擊穿，如圖2所示。

(a)??? 體內(nèi)等效電路

(b)??? 外部分析電路

圖1??? MOSFET等效電路

圖2??? 雪崩擊穿時(shí)I－V曲線

??? 下面利用圖1的等效電路來(lái)分析MOSFET的雪崩擊穿。

??? 假設(shè)三極管V_b≈0.6V，V_b=I_bR_b，則可得MOSFET源極電流

??? I_s=I_do＋γV_b=I_do＋γR_bI_b（1）

式中：I_do為漏極電壓較低時(shí)的飽和漏極電流；

??????????? γ為大信號(hào)體偏置系數(shù)（Large Signal Body-bias Coefficient），定義為

??????????? γ=ΔI_d/ΔV_b（2）

??? 當(dāng)V_b很高時(shí)，漏極的強(qiáng)電場(chǎng)引起電子溝道電流的雪崩式倍增，產(chǎn)生的空穴向基極流動(dòng)。

??? 如果增益為M，則基極電流為

??? I_b=I_d－I_s=MI_s－I_s=(M－1)(I_do＋γR_bI_b)(3)

可得

??? I_b=(4a)

??? I_s=(4b)

??? I_d=(4c)

當(dāng)發(fā)生擊穿時(shí)，有

??? I_bR_b≈0.6V(5)

??? 由式(4)及式(5)可得擊穿時(shí)的關(guān)系式（下標(biāo)SB為雪崩擊穿標(biāo)志）為

??? 1－（6）

M的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為

??? M=1/[1－(V_d/BV)ⁿ]（7）

式中：BV為漏極同p-基極間電壓；

????? n為常數(shù)。

由式(4)及式(7)可得

??? 1＋γR_b＋(8a)

??? (8b)

??? 1－=(1＋γR_b)(8c)

在“快回”點(diǎn)，由式(8a)和式(8b)得

??? I_d,SB－I_do=(1＋γR_b)I_b,SB=＋0.6γ（9）

由式(6)及式(7)得

??? V_d,SB=BV[1＋R_b(γ＋I_do/0.6)]^－1/n(10a)

??? V_d,SB=BV[0.6/R_bI_d,SB]^1/n(10b)

由式(10b)得

??? I_D,SB=I_c,SB＋I_d,SB=I_c,SB＋=I_c,SB＋I_b,SB(11)

??? 式(11)說(shuō)明，I_D,SB為MOSFET漏極寄生三極管集電極在二次擊穿時(shí)的電流的總和。式(10a)表明，雪崩擊穿電壓隨著I_do或R_b增大而減小。式(10b)則給出了雪崩擊穿的邊界電壓。

??? 大量的研究和試驗(yàn)表明，I_c,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(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(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I_b流過(guò)R_b；當(dāng)I_b使基極電位升高到一定程度時(shí)，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。

3??? 功率MOSFET雪崩擊穿的微觀分析

??? 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(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(shí)，器件內(nèi)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(qū)固定電荷，使載流子發(fā)生雪崩式倍增。

??? 對(duì)于不同的器件，發(fā)生雪崩式注入的情況是不同的。對(duì)于雙極性晶體管，除了電場(chǎng)應(yīng)力的原因外，正向偏置時(shí)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(duì)于MOSFET，由于是多數(shù)載流子器件，通常認(rèn)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(dá)到雪崩注入值，而與熱應(yīng)力無(wú)關(guān)。以下對(duì)功率MOSFET的雪崩擊穿作進(jìn)一步的分析。

??? 如圖1所示，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(guò)程中受各種因素的影響，會(huì)導(dǎo)致MOSFET的各種不同的表現(xiàn)。

??? 導(dǎo)通時(shí)，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(huì)在飽和區(qū)產(chǎn)生一個(gè)小的電流分量。而在穩(wěn)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(zhuǎn)層關(guān)斷，應(yīng)當(dāng)去掉柵極電壓或加反向電壓。這時(shí)，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dV_DS/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(shí)，漏極電流越大電壓會(huì)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(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dV_DS/dt電流）、雪崩電流，三者理論上都會(huì)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(guò)渡到低壓大電流狀態(tài)，從而發(fā)生雪崩擊穿。

4??? 雪崩擊穿時(shí)能量與溫度的變化

??? 在開關(guān)管雪崩擊穿過(guò)程中，能量集中在功率器件各耗散層和溝道中，在寄生三極管激活導(dǎo)通發(fā)生二次擊穿時(shí)，MOSFET會(huì)伴隨急劇的發(fā)熱現(xiàn)象，這是能量釋放的表現(xiàn)。以下對(duì)雪崩擊穿時(shí)能量耗散與溫升的關(guān)系進(jìn)行分析。

??? 雪崩擊穿時(shí)的耗散能量與溫升的關(guān)系為

??????? Δθ_M∝（12）

??? 雪崩擊穿開始時(shí)，電流呈線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率為

??? di/dt=V_BR/L（13）

式中：V_BR為雪崩擊穿電壓(假設(shè)為恒定)；

????? L為漏極電路電感。

??? 若此時(shí)MOSFET未發(fā)生故障，則在關(guān)斷時(shí)刻之前，其內(nèi)部耗散的能量為

??? E=LI_o²（14）

式中：E為耗散能量；

????? I_o為關(guān)斷前的漏極電流。

??? 隨著能量的釋放，器件溫度發(fā)生變化，其瞬時(shí)釋放能量值為

??? P(t)=i(t)v=i(t)V_BR（15）

式中：

??? i(t)=I_o－t（16）

到任意時(shí)刻t所耗散的能量為

??? E=Pdt=L(I_o²－i²)（17）

在一定時(shí)間t后，一定的耗散功率下，溫升為

??????? Δθ=P_oK（18）

式中：K=，其中ρ為密度；k為電導(dǎo)率；c為熱容量。

??? 實(shí)際上耗散功率不是恒定的，用疊加的方法表示溫升為

??????? Δθ=P_oK－δP_nK（19）

式中：δP_n=δi_nV_BR=V_BRδt；

????? P_o=I_oV_BR；

??????????? δt=t_n－t_n－1；

????? t_m=t=。

則溫升可以表示為

??????? Δθ(t)=P_oK－Kδt（20）

可以表示成積分形式為

??????? Δθ(t)=P_oK－Kdτ(21)

在某一時(shí)刻t溫升表達(dá)式為

??????? Δθ(t)=P_oK－K(22)

將溫升表達(dá)式規(guī)范化處理，得

??? =(23)

式中：t_f=，為電流i=0的時(shí)刻；

????? Δθ_M為最大溫升(t=t_f/2時(shí))。

??? 則由式(22)得

??????? Δθ=P_oK=I_oV_BRK(24)

??? 由上面的分析過(guò)程可以看出，在功率MOSFET發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，器件溫度與初始電流，以及器件本身的性能有關(guān)。在雪崩擊穿后如果沒有適當(dāng)?shù)木彌_、抑制措施，隨著電流的增大，器件發(fā)散內(nèi)部能量的能力越來(lái)越差，溫度上升很快，很可能將器件燒毀。在現(xiàn)代功率半導(dǎo)體技術(shù)中，MOSFET設(shè)計(jì)、制造的一個(gè)很重要方面就是優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)，促進(jìn)雪崩擊穿時(shí)的能量耗散能力。

5??? 結(jié)語(yǔ)

??? 與一般雙極性晶體管的二次擊穿不同，MOSFET的雪崩擊穿過(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(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(huì)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(shí)，功率器件內(nèi)部的耗散功率會(huì)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(gè)很重要的指標(biāo)。