功率器件雪崩擊穿的工作原理和失效機理

引言

雪崩耐量是功率器件性能評估的關鍵指標，那么什么是雪崩耐量呢？即向半導體的接合部施加較大的反向衰減偏壓時,電場衰減電流的流動會引起雪崩衰減,此時元件可吸收的能量稱為雪崩耐量，表示施加電壓時的抗擊穿能力。它對步進電機，開關電源等終端產(chǎn)品的安規(guī)及可靠性有著緊密的影響。新潔能是國內(nèi)為數(shù)很少的、擁有自主半導體器件工藝設計能力的功率集成電路設計公司，顯著區(qū)別于只能采用晶圓廠標準工藝制程的一般設計公司。新潔能應用團隊從功率器件的雪崩原理入手詳細為大家介紹以下幾點:

1、雪崩擊穿的原理與介紹；

2、單脈沖雪崩與重復雪崩的測試原理有什么不同；

3、雪崩擊穿失效機理是什么；

4、如何在應用設計中提升電路的抗雪崩能力；

一、雪崩擊穿的原理與介紹

當功率器件PN結(jié)的反向電壓增大到某一數(shù)值后，半導體內(nèi)載流子通過碰撞電離開始倍增，這一現(xiàn)象與宏觀世界中高山雪崩是很像的，所以我們稱之為雪崩擊穿。

功率器件并不是觸發(fā)雪崩就會損壞的，而是對雪崩能量有一定的承受能力，稱之為雪崩耐量，一般從以下兩個特性來考量某個功率器承受的雪崩耐量的強弱，分別是：

1、單脈沖雪崩耐量;

2、重復雪崩耐量。

二、單脈沖雪崩與重復雪崩的測試原理

單脈沖雪崩

圖1給出了單脈沖雪崩測試的原理圖，對待測器件的Gate極施加開啟信號，器件導通，電流從器件的溝道通路流通對電感L儲能；當單脈沖結(jié)束，驅(qū)動信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，Gate關閉，此時電感能量泄放于器件上。

圖1給出了單脈沖雪崩測試的原理圖，對待測器件的Gate極施加開啟信號，器件導通，電流從器件的溝道通路流通對電感L儲能；當單脈沖結(jié)束，驅(qū)動信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，Gate關閉，此時電感能量泄放于器件上。

（圖1）

圖2給出了單脈沖雪崩測試幾個關鍵位置結(jié)點的示波器波形圖，可以看到當器件Gate電壓Vgs從高變低后，器件的漏端電壓瞬時升高到雪崩電壓，擊穿器件，一直持續(xù)到電感能量在數(shù)微秒時間內(nèi)完全泄放完畢。

Test Condition:

L=0.50mH,Vd=40.0V,Vgon=10.0V,Vgoff=0.0V,

Rg=25ohm,TestMode=Mode2

（圖2）

雪崩泄放的總能量由以下公式可得知：

其中：

因為在實際的測試中，我們通常會固定L和VIN的值，所以我們只要通過不斷增大脈寬寬度TPulse，測得器件不損壞的最大雪崩耐量即為所測器件的EAS值。

重復雪崩耐量

圖3給出了重復雪崩測試的原理圖，對待測器件的Gate施加周期性開關信號，通過器件反復開關，周期性對電感儲能，并通過器件雪崩釋放能量。對于重復雪崩，每次發(fā)生雪崩的能量要比EAS小很多，但重復累加的能量會比單脈沖雪崩多很多，所以芯片結(jié)溫和管殼溫度都會升高，當芯片結(jié)溫達到Tjmax時，即為所測器件的EAR最大值。

（圖3）

三、雪崩擊穿的失效機理

雖然當功率器件承受的雪崩耐量超過極限后，芯片都會發(fā)生損壞，但是單脈沖雪崩與重復雪崩的失效機理卻并不相同。

在單脈沖雪崩發(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，所以雪崩擊穿位置的溫度會急劇上升，當超過芯片內(nèi)部PN結(jié)極限溫度(約200℃)時，芯片會存在過熱擊穿損壞。單脈沖雪崩的極限溫度限制是PN結(jié)的熱擊穿溫度，而非器件手冊標稱的最高工作溫度Tjmax(150℃)。重復雪崩的失效機理主要有兩種，一種是重復雪崩過程中芯片結(jié)溫超過Tjmax而帶來的器件損壞；另一種表現(xiàn)為在重復雪崩老化過程中，由于熱載流子效應而帶來的器件參數(shù)漂移，這是一個緩慢退化的過程，圖4，圖5給出了器件在雪崩擊穿后局部的損壞形貌。

（圖4）

（圖5）

四、如何在應用中提升器件雪崩能力

雪崩耐量是功率器件關鍵指標，我們以開關電源舉例，在反激式開關電源中一般都會配置RCD吸收回路來抑制雪崩發(fā)生（如圖6,圖7）。

（圖6）

（圖7）

RCD的工作過程，是當MOS管導通，電壓流過變壓器初級線圈，對線圈充電，當MOS管關閉后，電感產(chǎn)生反電動勢，變壓器次級通過二極管輸出電壓，由于初級線圈有漏感，不能全部轉(zhuǎn)移到次級，多余的能量就會和電源電壓疊加，產(chǎn)生VDS尖峰電壓，尖峰電壓通過二極管對電容充電，在MOS再次導通時，電容上的電壓通過電阻放電，把多余的能量通過電阻消耗掉，RCD的一個工作周期完成，繼續(xù)循環(huán)下一個周期。

我們以開關電源原邊側(cè)功率管的DRAIN波形為例（綠色），如圖8是未增加RCD回路的VDS尖峰波形，尖峰電壓596V，圖9為增加RCD回路的VDS尖峰波形，尖峰電壓560V,可以看到尖峰電壓有了明顯改善，整個系統(tǒng)的雪崩能力也得到了提高，可靠性大幅增強，所以我們選擇雪崩耐量優(yōu)異的分立器件或與之匹配的吸收回路是與整個電源系統(tǒng)可靠性緊密相關的。

（圖8）

（圖9）