MOSFET雪崩击穿问题解析- KIA MOS管

MOSFET雪崩击穿问题分析

功(gong)率MOSFET在电力电子(zi)设备中应用十分广泛，因其故(gu)障(zhang)而引(yin)起(qi)的电子(zi)设备损坏也比较常见(jian)。分析研(yan)究功率MOSFET故障的原因、后果(guo)，对于MOSFET的进一步(bu)推(tui)广应用具有(you)重要意(yi)义。

在正向偏置工作时(shi)，由(you)于功率(lv)MOSFET是多数载流子(zi)导电，通常被(bei)看成是不存在二次击穿的器件。但(dan)事(shi)实上，当功率MOSFET反(fan)向偏(pian)置时，受电(dian)气(qi)量变化（如(ru)漏源极电(dian)压、电(dian)流变化）的作用，功率MOSFET内部载流子容易发(fa)(fa)生(sheng)雪崩式倍增，因而发(fa)(fa)生(sheng)雪崩击穿现象。

与双极(ji)性(xing)晶体管的(de)二次击穿(chuan)不(bu)同，MOSFET的(de)雪崩击穿常(chang)在(zai)高压、大电(dian)流时发生，不存在(zai)局部(bu)热点的作用；其安(an)全(quan)工(gong)作范围也不受脉(mai)冲宽度的影响。目前，功率器件(jian)的(de)故(gu)障研究已(yi)经(jing)从(cong)单纯(chun)的(de)物理(li)结构分析(xi)过渡到了(le)器件(jian)建模理(li)论仿真(zhen)模拟层(ceng)面(mian)。因此，本文(wen)将从理论上(shang)推导MOSFET故障时漏极电流的构成，并(bing)从微观电子(zi)角度对(dui)MOSFET雪(xue)崩击穿现象作详细分析。同(tong)时，还将对(dui)故障时器件的(de)能(neng)量、温度变化关系作一(yi)定的(de)分析。

MOSFET雪崩击穿理论分析

当MOSFET漏极(ji)存(cun)在(zai)大(da)电流Id，高电压(ya)Vd时，器件内电离作用加(jia)剧，出现(xian)大量的空穴电流，经(jing)Rb流入(ru)源极(ji)，导致寄生三极(ji)管基极(ji)电势Vb升高，出现(xian)所谓(wei)的“快回(hui)(Snap-back)”现象，即(ji)在Vb升(sheng)高到一(yi)定程度时，寄生三极管V2导(dao)通，集(ji)电(dian)极（即(ji)漏(lou)极）电(dian)压(ya)快速返(fan)回(hui)达到晶(jing)体(ti)管基极开路(lu)时的(de)(de)击穿电(dian)压（增(zeng)益很(hen)高(gao)的(de)(de)晶(jing)体(ti)管中(zhong)该值相对(dui)较低），从而发生雪崩击(ji)穿，(大量的研究和试验(yan)表明，Ic,SB很(hen)小。

另(ling)外，由于寄生三极管的增益较大，故(gu)在雪崩(beng)击穿(chuan)时(shi)，三极(ji)(ji)(ji)管(guan)基极(ji)(ji)(ji)电子、空(kong)穴重新结(jie)合所形成的电流，以及从三极(ji)(ji)(ji)管(guan)集电极(ji)(ji)(ji)到发射极(ji)(ji)(ji)空(kong)穴移动(dong)所形成的(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)，只占(zhan)了MOSFET漏极电(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)一小部分；所(suo)有(you)的(de)(de)基极电(dian)流(liu)(liu)Ib流(liu)(liu)过Rb；当Ib使基极电(dian)位升高到一(yi)定程(cheng)度时，寄生晶体管进入导通状态，MOSFET漏(lou)源极电(dian)压迅速(su)下降(jiang)，发(fa)生雪(xue)崩击穿故障。

MOSFET雪崩击穿的微观分析

双极性器件在发生(sheng)二(er)次击穿时，集电极电压(ya)会在故障瞬间很短时间内（可能小于1ns）衰减(jian)几百(bai)伏。这种电压(ya)锐减(jian)主要(yao)是由(you)雪(xue)崩式注入引(yin)起的，主要(yao)原因在于：二次击穿时，器件内部电(dian)场很大(da)，电(dian)流(liu)密度也比(bi)较大(da)，两(liang)种因素同时存(cun)在，一起影(ying)响正常时的耗尽区固(gu)定电荷，使载流(liu)子发生(sheng)雪崩(beng)式(shi)倍增。?对于不同的(de)器件，发生(sheng)雪崩(beng)式(shi)注入的(de)情(qing)况是不同的。

对于(yu)双(shuang)极性晶(jing)体管，除了电场应力(li)的原因外(wai)，正向偏(pian)置时器(qi)件的热不稳(wen)定(ding)性，也有可(ke)能(neng)使其电流密度达到雪崩式注入值。而对于(yu)(yu)MOSFET，由于(yu)(yu)是多数载(zai)流子(zi)器件(jian)，通(tong)常认为(wei)其不会(hui)发生(sheng)正向偏置二次击穿，而(er)(er)在反(fan)向偏置时，只有电气(qi)方面的原因能使其(qi)电流密度(du)达到(dao)雪崩注入值(zhi)，而(er)(er)与热应力无关(guan)。以下对(dui)功率MOSFET的雪崩击穿作进一步的分析。

在MOSFET内(nei)部各层间(jian)存在寄生二极(ji)管(guan)、晶体(ti)管（三极管）器(qi)(qi)件。从微(wei)观角度而(er)言，这些(xie)寄生器(qi)(qi)件都(dou)是器(qi)(qi)件内部PN结间形(xing)成的等效器(qi)(qi)件，它们中的(de)空穴、电子(zi)在高速开关过程(cheng)中受各种因素的(de)影响，会导致MOSFET的(de)各种不同的(de)表现。

导(dao)通时，正向电压大于门槛电压，电子由源极经(jing)体表反(fan)转层形成的沟道(dao)进入(ru)(ru)漏极，之(zhi)后直接进入(ru)(ru)漏(lou)极节(jie)点；漏(lou)极寄(ji)(ji)生(sheng)二(er)极管的(de)反向漏(lou)电(dian)流会(hui)在饱(bao)和区(qu)产生(sheng)一个小的(de)电(dian)流分量。而在稳态(tai)时，寄(ji)(ji)生(sheng)二极(ji)管、晶体(ti)管的影响不(bu)大。关(guan)断时，为使MOSFET体(ti)表反(fan)转(zhuan)层关(guan)断，应(ying)当(dang)去掉栅极(ji)电压或(huo)加反(fan)向电(dian)压(ya)(ya)。这时，沟道电(dian)流（漏极电(dian)流）开(kai)始减少，感性负(fu)载(zai)使(shi)漏极电(dian)压(ya)(ya)升高以维(wei)持漏极电(dian)流恒定。

漏(lou)极电压升高，其电流(liu)由沟道(dao)电流(liu)和位移电流(liu)（漏(lou)极体二极管耗尽区生(sheng)成(cheng)的，且与dVDS/dt成(cheng)比例）组成。漏(lou)极(ji)电压升(sheng)高的比率与基(ji)极(ji)放电以及(ji)漏(lou)极(ji)耗尽区充电的比率有关；而后者是由漏(lou)－源极(ji)电(dian)容(rong)、漏极(ji)电(dian)流决定的。在忽(hu)略其它(ta)原因时(shi)，漏极(ji)电(dian)流越大电(dian)压(ya)会升高得越快。如果(guo)没(mei)有外部钳位电(dian)路，漏极(ji)电(dian)压(ya)将持续升高，则漏极(ji)体二(er)极(ji)管由于雪(xue)崩倍增产生载流子，而进(jin)入持续导通模(mo)式（Sustaining?Mode）。

此(ci)时，全部的(de)漏极电(dian)(dian)流（此(ci)时即(ji)雪(xue)崩电(dian)(dian)流）流过体二极管，而沟道电(dian)(dian)流为零。由上述分析(xi)可以看出，可能引起(qi)雪崩击穿的三(san)种电流为漏电流、位移电流（即(ji)dVDS/dt电流）、雪崩电流，三(san)者(zhe)理论上都会激活寄生(sheng)晶(jing)体管导通。寄生(sheng)晶(jing)体管导通使MOSFET由高压小电流(liu)迅速过渡到低压大(da)电流(liu)状(zhuang)态，从而(er)发生雪崩击穿。

结语

与(yu)一般双极(ji)性晶体管的二次击(ji)穿不同，MOSFET雪(xue)崩击(ji)穿过(guo)程主要(yao)是由于寄生晶体管被(bei)激活造成(cheng)的。MOSFET由于工作在高(gao)频状态下，其热应(ying)力、电应(ying)力环境都(dou)比较恶劣，一般认为如果(guo)外部电气条件达到寄生三极(ji)管的(de)导(dao)通(tong)门槛值，则会引(yin)起MOSFET故障。在(zai)实际应用(yong)中(zhong)，必须综合(he)考虑MOSFET的(de)工作条件以(yi)及范围，合理地选(xuan)择相应(ying)的(de)器件以(yi)达到性能与成本(ben)的(de)最佳优化(hua)。

另(ling)一(yi)方面，在发(fa)生雪崩(beng)击穿(chuan)时，功率(lv)器件(jian)内部的耗(hao)散功率(lv)会引起器件(jian)的发热，可(ke)能导致(zhi)器件(jian)烧毁。在新的功率(lv)MOSFET器件中，能量耗散能力、抑制温(wen)升能力的已经成(cheng)为一个(ge)很(hen)重(zhong)要(yao)的指标(biao)。

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