功率MOSFET及其雪崩擊穿額定值背后的理論和設(shè)計(jì)過(guò)程中的局限性

本應(yīng)用筆記介紹了功率 MOSFET 及其雪崩擊穿額定值背后的理論。該文件還討論了堅(jiān)固型 MOSFET 的設(shè)計(jì)和額定值，以及不同的雪崩額定值及其在設(shè)計(jì)過(guò)程中的局限性。

雪崩模式定義

所有半導(dǎo)體器件都具有一定的最大反向電壓額定值（功率 MOSFET 的 BV DSS）。高于此閾值的操作將導(dǎo)致反向偏置 pn 結(jié)中的高電場(chǎng)。由于碰撞電離，高電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)會(huì)產(chǎn)生倍增效應(yīng)，從而導(dǎo)致電流增加。流過(guò)器件的反向電流會(huì)導(dǎo)致高功耗、相關(guān)的溫升和潛在的器件損壞。

工業(yè)應(yīng)用中發(fā)生的雪崩

反激式轉(zhuǎn)換器電路

一些設(shè)計(jì)者不允許雪崩操作；相反，在額定 BV DSS 和 VDD 之間保持電壓降額（通常為 90% 或更少）。然而，在這種情況下，可能會(huì)出現(xiàn)超出計(jì)劃的電壓尖峰的情況并不少見(jiàn)，因此即使是最好的設(shè)計(jì)也可能會(huì)遇到非頻率雪崩事件。圖 1 顯示了一個(gè)這樣的示例，即反激式轉(zhuǎn)換器。

反激式轉(zhuǎn)換器電路

在反激式轉(zhuǎn)換器的 MOSFET 操作期間，能量存儲(chǔ)在漏電感中。如果電感未正確鉗位，在 MOSFET 關(guān)斷期間，漏電感通過(guò)初級(jí)開(kāi)關(guān)放電，并可能導(dǎo)致雪崩操作，如圖 2 和 3 中 VDS、ID 和 VGS 與時(shí)間的關(guān)系波形所示。

雪崩波形下的反激式轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)：

雪崩波形下的反激式轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)（詳細(xì)）

雪崩故障模式

一些功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)為在有限時(shí)間內(nèi)承受一定量的雪崩電流，因此可以達(dá)到雪崩額定值。其他人會(huì)在雪崩開(kāi)始后很快失敗。性能差異源于特定的設(shè)備物理、設(shè)計(jì)和制造。

功率 MOSFET 器件物理

所有半導(dǎo)體器件都包含器件物理設(shè)計(jì)固有的寄生元件。在功率 MOSFET 中，這些組件包括由于 p 和 n 區(qū)之間的結(jié)中的電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的電容器、與材料電阻率相關(guān)的電阻器、在 p+ 體擴(kuò)散進(jìn)入 n- 外延層時(shí)形成的體二極管，以及 NPN（雙極結(jié)型晶體管此后稱為 BJT） 序列 （BJT），在 n+ 源極觸點(diǎn)擴(kuò)散的地方形成。請(qǐng)參見(jiàn)圖 4 了解包含上面列出的寄生元件的功率 MOSFET 橫截面，參見(jiàn)圖 5 了解器件的完整電路模型。

功率 MOSFET 橫截面：

功率MOSFET電路模型在雪崩中，充當(dāng)二極管的 pn 結(jié)不再阻斷電壓。施加更高的電壓會(huì)達(dá)到臨界場(chǎng)，其中碰撞電離趨于無(wú)窮大，載流子濃度由于雪崩倍增而增加。由于徑向場(chǎng)分量，器件內(nèi)部的電場(chǎng)在結(jié)彎曲處最強(qiáng)。這種強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)在寄生 BJT 附近產(chǎn)生最大電流，如下圖 6 所示。功耗會(huì)增加溫度，從而增加 RB，因?yàn)楣桦娮杪孰S溫度增加。根據(jù)歐姆定律，我們知道在恒定電流下增加電阻會(huì)導(dǎo)致電阻兩端的電壓降增加。當(dāng)壓降足以正向偏置寄生 BJT 時(shí)，

雪崩下的功率 MOSFET 截面

功率 MOSFET 用戶應(yīng)注意了解不同供應(yīng)商之間雪崩額定條件的差異。不是“雪崩穩(wěn)健”的設(shè)備可能會(huì)導(dǎo)致意外和看似無(wú)法解釋的電路故障。一些制造商根本沒(méi)有對(duì)他們的 MOSFET 進(jìn)行雪崩評(píng)級(jí)。其他人單獨(dú)使用統(tǒng)計(jì)評(píng)級(jí)，這不能為更完整的表征和評(píng)級(jí)提供的穩(wěn)健操作提供相同的保證。

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