MOSFET雪崩擊穿圖解 MOSFET避免雪崩失效的方法

雪崩擊穿失效機理是什么？

當(dāng)功率器件承受的雪崩耐量超過極限后，芯片最終會損壞，然而單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩的失效機理并不相同。

單脈沖雪崩發(fā)生時，持續(xù)的時間一般在微秒量級，我們發(fā)現(xiàn)由于熱容的存在，瞬時熱量不足以傳遞到芯片引線框和封裝體，雪崩擊穿位置的溫度會急劇上升，當(dāng)超過PN結(jié)極限溫度（約400℃）時，芯片熱擊穿損壞。所以單脈沖雪崩的極限溫度限制是PN結(jié)的熱擊穿溫度，而非器件手冊標(biāo)稱的最高工作溫度Tjmax（150℃）。圖給出了在單脈沖雪崩后器件局部熱擊穿損壞照片。

圖 單脈沖雪崩引起的器件局部熱擊穿損壞

重復(fù)雪崩的失效機理主要有兩種，一種是重復(fù)雪崩過程中芯片結(jié)溫超過Tjmax，而帶來的器件損壞；另一種表現(xiàn)為重復(fù)雪崩老化過程中，由于熱載流子效應(yīng)而帶來的器件參數(shù)漂移，是一個緩慢退化的過程。

MOSFET雪崩擊穿圖解

Power MOSFET四層結(jié)構(gòu)的橫截面如圖所示，通過MOSFET橫截面結(jié)構(gòu)圖可以發(fā)現(xiàn)MOSFET體內(nèi)存在 基極寄生電阻 、 寄生電容 、寄生雙極****晶體管和 內(nèi)置二極管 。

圖 Power MOSFET四層結(jié)構(gòu)橫截面

MOSFET雪崩擊穿的等效電路如圖所示，當(dāng)在MOSFET中的漏極和源極之間施加高于擊穿電壓的電壓時，內(nèi)置二極管(相當(dāng)于pn結(jié))進入雪崩擊穿并通過雪崩電流。在這種雪崩擊穿期間，與 MOSFET內(nèi)部二極管電流呈反方向流動的電流稱為“ 雪崩電流I****AS ”，參見下圖(1)中雪崩電流路徑。

圖 MOSFET雪崩失效電流路徑示意圖(紅色部分)

MOSFET避免雪崩失效的方法

一般情況下，有抗雪崩保證的MOSFET，在其規(guī)格書中會規(guī)定IAS和EAS的絕對最大額定值，因此可以通過規(guī)格書來了解詳細的值。在有雪崩電流流動的工作環(huán)境中，需要把握I****AS和E****AS的 實際值 ，并在絕對最大額定值范圍內(nèi)使用。

引發(fā)雪崩擊穿的例子包括反激式轉(zhuǎn)換器中的MOSFET關(guān)斷時的反激電壓和寄生電感引起的浪涌電壓等。針對反激電壓引起的 雪崩擊穿 ，對策包括在設(shè)計電路時采用降低反激電壓的設(shè)計或使用具有更高耐壓性能的MOSFET。而針對寄生電感引起的 雪崩擊穿 ，改用引腳更****短的封裝的MOSFET或改善電路板布局以降低寄生電感等都是比較有效的措施。