全方位理解功率MOSFET的雪崩失效現(xiàn)象

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。

其中MOSFET的雪崩擊穿失效導(dǎo)致的故障是功率MOSFET比較典型的故障之一。本文就對(duì)功率MOSFET雪崩擊穿的特性，以及在電源案例中的典型故障進(jìn)行了簡單的分析，來全方位的理解功率MOSFET的雪崩失效現(xiàn)象。

2 功率MOSFET雪崩擊穿理論分析

在功率MOSFET雪崩分析之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行說明。一般數(shù)據(jù)手冊(cè)中包含如下圖所示的單脈沖雪崩能量EAS、重復(fù)脈沖雪崩能量EAR、單次脈沖雪崩電流IAS等。這些參數(shù)反映了該功率MOSFET的雪崩能力。

圖1 MOSFET的相關(guān)雪崩參數(shù)

圖2為MOSFET的體內(nèi)等效電路，闡述了雪崩擊穿的原因。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Id，高電壓Vd時(shí)，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(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) 功率MOSFET體內(nèi)等效電路圖

(b) 外部分析電路

圖2 MOSFET 等效電路

圖3 雪崩擊穿時(shí)I -V 曲線

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)力無關(guān)。以下對(duì)功率MOSFET 的雪崩擊穿作進(jìn)一步的分析。

如圖2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(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(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。

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

其中，A是硅片面積，K常數(shù)與硅片的熱性能相關(guān)。

而雪崩能量為

由上述公式可以看出，在功率MOSFET發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，器件溫度與初始功率，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)部能量的能力越來越差， 溫度上升很快， 很可能將器件燒毀。

5 雪崩能量的測量

雪崩能量通常在非鉗位感性開關(guān)UIS條件下測量，通常包括二組值：單脈沖雪崩能量EAS和單脈沖雪崩電流IAS，重復(fù)脈沖雪崩能量EAR和重復(fù)脈沖雪崩電流IAR。單脈沖雪崩能量和雪崩電流的測試的電路有二種：去耦的EAS測量電路和非去耦的EAS測量電路，如圖4、圖5所示。

圖4 去耦的EAS測量電路

圖5 非去耦的EAS測量電路

對(duì)于一些中、低壓的器件，VDS - VDD變得很小，使用非去耦電路測量會(huì)產(chǎn)生較大的差異，因此對(duì)于中、低壓的功率MOSFET，通常使用去耦的EAS測量電路。

在去耦的EAS測量電路中，當(dāng)測試的功率MOSFET和控制管同時(shí)關(guān)斷時(shí)，由于MOSFET的D、S之間有寄生電容CDS，因此在二極管導(dǎo)通續(xù)流時(shí)，電感L和CDS形成諧振回路，L的電流降低使CDS上的電壓上升，直到電感的電流為0時(shí)，續(xù)流二極管D自然關(guān)斷，電感L中儲(chǔ)存的能量應(yīng)該全部轉(zhuǎn)換到CDS中。

如果電感L=0.1mH，IAS=10A，CDS=1nF，理論上，電壓VDS為：

得VDS=3100V。

這樣高的電壓值是不可能的，那么為什么會(huì)有這樣的情況？從實(shí)際的工作原理來看，MOSFET的D、S內(nèi)部相當(dāng)于一個(gè)反并聯(lián)的二極管。當(dāng)這個(gè)二極管兩端加上反向電壓，因此其工作在反向工作區(qū)，隨著VDS增加，高過BVDSS，增加到接近于對(duì)應(yīng)二極管的鉗位電壓時(shí)，VDS的電壓就不會(huì)再明顯的增加，而是維持在鉗位電壓值基本不變。此時(shí)，MOSFET工作于雪崩區(qū)，最大的平臺(tái)鉗位電壓就是雪崩電壓。

為了保障MOSFET工作在雪崩區(qū)不失效，還必須考慮MOSFET的雪崩能量與溫升的關(guān)系，

比如在去耦的EAS測試電路中，單次雪崩能量為

雪崩功率為

結(jié)合式(2), (4), (5)可以得出雪崩功率，再由式(6)即可估算出MOSFET的節(jié)溫的溫升。

圖6給出了兩個(gè)不同的估算結(jié)果，差異還是比較大的，所以具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)以具體的條件參數(shù)估算溫升，防止過溫?fù)p壞。

圖6 不同測試條件下的溫升測試結(jié)果

6 雪崩能量的失效機(jī)理

功率MOSFET的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(jìn)入雪崩的工作狀態(tài)，VDS電壓增加，體到epi-結(jié)的電場也增加，當(dāng)場強(qiáng)增加到臨界值時(shí)（硅中大約為300kV/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(gè)損壞的過程，在這個(gè)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。

2) 寄生三極管導(dǎo)通損壞

前文已詳細(xì)分析了雪崩現(xiàn)象的產(chǎn)生。寄生三極管的失效分為熱擊穿和二次擊穿，如圖7所示。

熱擊穿：耗散功率轉(zhuǎn)化為熱，使集電結(jié)結(jié)溫升高，集電結(jié)結(jié)電流進(jìn)一步增大，使三極管燒毀。

二次擊穿：局部大電流導(dǎo)致三極管燒通，使VCE擊穿電壓急劇降低，IC電流增大，使三極管燒毀。

圖7 寄生三極管雪崩失效

3) VGS尖峰誤觸發(fā)導(dǎo)通損壞

功率MOSFET在雪崩過程中硅片的溫度升高，VGS的閾值急劇降低，同時(shí)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(gè)過程中，通常也會(huì)疊加寄生三極管導(dǎo)通的損壞機(jī)理。在實(shí)際應(yīng)用中，UIS雪崩較少以這種方式發(fā)生失效。

7 雪崩能量的應(yīng)用與預(yù)防措施

在實(shí)際的應(yīng)用中，雪崩的損壞常發(fā)生在過壓過流高溫等極端條件下。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(dòng)態(tài)的老化測試中，MOSFET的損壞需要考慮雪崩能量導(dǎo)致的擊穿。

MOSFET的電壓尖峰產(chǎn)生時(shí)，例如反激應(yīng)用，MOSFET關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電壓尖峰：VIN+輸出反射電壓+漏感，這時(shí)需要考慮雪崩能量，必要時(shí)，需加一些防護(hù)措施(加鉗位電路)，保證MOSFET不被損壞。

發(fā)生在電感上的沒有預(yù)料到的瞬態(tài)電壓，如輸出短路時(shí)，變壓器原邊電感飽和，引起瞬態(tài)大電流的變化，器件需要考慮雪崩擊穿的可能。相應(yīng)的預(yù)防措施有a) 加開短路的系統(tǒng)響應(yīng)，以降低漏極電流；b) 優(yōu)化電路以及變壓器設(shè)計(jì)，減小漏感和線路雜散電感；c) 加緩沖電路抑制di/dt.

8 總結(jié)

本文闡述和分析了MOSFET的雪崩現(xiàn)象的相關(guān)問題，包括雪崩擊穿的理論分析，雪崩能量以及溫升的關(guān)系，雪崩能量的測量和應(yīng)用中如何考慮雪崩現(xiàn)象和相關(guān)的預(yù)防措施。今后在工作中可以針對(duì)MOSFET的使用以及失效時(shí)有一個(gè)更明確的認(rèn)識(shí)和分析，給出更具有針對(duì)性的措施。