功率MOSFET雪崩擊穿問題分析

M的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為

M=1/[1－(V_d/BV)ⁿ]（7）

式中：BV為漏極同p-基極間電壓；

n為常數(shù)。

由式(4)及式(7)可得

1＋γR_b＋(8a)

(8b)

1－=(1＋γR_b)(8c)

在“快回”點(diǎn)，由式(8a)和式(8b)得

I_d,SB－I_do=(1＋γR_b)I_b,SB=＋0.6γ（9）

由式(6)及式(7)得

V_d,SB=BV[1＋R_b(γ＋I_do/0.6)]^－1/n(10a)

V_d,SB=BV[0.6/R_bI_d,SB]^1/n(10b)

由式(10b)得

I_D,SB=I_c,SB＋I_d,SB=I_c,SB＋=I_c,SB＋I_b,SB(11)

式(11)說明，I_D,SB為MOSFET漏極寄生三極管集電極在二次擊穿時(shí)的電流的總和。式(10a)表明，雪崩擊穿電壓隨著I_do或R_b增大而減小。式(10b)則給出了雪崩擊穿的邊界電壓。

大量的研究和試驗(yàn)表明，I_c,SB很小。另外，由于寄生三極管的增益較大，故在雪崩擊穿時(shí)，三極管基極電子、空穴重新結(jié)合所形成的電流，以及從三極管集電極到發(fā)射極空穴移動(dòng)所形成的電流，只占了MOSFET漏極電流的一小部分；所有的基極電流I_b流過R_b；當(dāng)I_b使基極電位升高到一定程度時(shí)，寄生晶體管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，MOSFET漏源極電壓迅速下降，發(fā)生雪崩擊穿故障。

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(chǎng)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(chǎng)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1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dV_DS/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dV_DS/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

Δθ_M∝（12）

雪崩擊穿開始時(shí)，電流呈線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率為

di/dt=V_BR/L（13）

式中：V_BR為雪崩擊穿電壓(假設(shè)為恒定)；

L為漏極電路電感。