功率MOSFET雪崩擊穿問題分析

摘要：分析了功率MOSFET雪崩擊穿的原因，以及MOSFET故障時能量耗散與器件溫升的關系。和傳統的雙極性晶體管相比，反向偏置時MOSFET雪崩擊穿過程不存在“熱點”的作用，而電氣量變化卻十分復雜。寄生器件在MOSFET的雪崩擊穿中起著決定性的作用，寄生晶體管的激活導通是其雪崩擊穿的主要原因。在MOSFET發生雪崩擊穿時，器件內部能量的耗散會使器件溫度急劇升高。

關鍵詞：雙極性晶體管；功率MOSFET；雪崩擊穿；寄生晶體管；能量耗散

1??? 引言

??? 功率MOSFET在電力電子設備中應用十分廣泛，因其故障而引起的電子設備損壞也比較常見。分析研究功率MOSFET故障的原因、后果，對于MOSFET的進一步推廣應用具有重要意義。

??? 在正向偏置工作時，由于功率MOSFET是多數載流子導電，通常被看成是不存在二次擊穿的器件。但事實上，當功率MOSFET反向偏置時，受電氣量變化（如漏源極電壓、電流變化）的作用，功率MOSFET內部載流子容易發生雪崩式倍增，因而發生雪崩擊穿現象。與雙極性晶體管的二次擊穿不同，MOSFET的雪崩擊穿常在高壓、大電流時發生，不存在局部熱點的作用；其安全工作范圍也不受脈沖寬度的影響。

??? 目前，功率器件的故障研究已經從單純的物理結構分析過渡到了器件建模理論仿真模擬層面。因此，本文將從理論上推導MOSFET故障時漏極電流的構成，并從微觀電子角度對MOSFET雪崩擊穿現象作詳細分析。同時，還將對故障時器件的能量、溫度變化關系作一定的分析。

2??? 功率MOSFET雪崩擊穿理論分析

??? 圖1(a)為MOSFET的體內等效電路，其中含有一個寄生的雙極性晶體管V₂，它的集電極、發射極同時也是MOSFET的漏極和源極。當MOSFET漏極存在大電流I_d，高電壓V_d時，器件內電離作用加劇，出現大量的空穴電流，經R_b流入源極，導致寄生三極管基極電勢V_b升高，出現所謂的“快回(Snap-back)”現象，即在V_b升高到一定程度時，寄生三極管V₂導通，集電極（即漏極）電壓快速返回達到晶體管基極開路時的擊穿電壓（增益很高的晶體管中該值相對較低），從而發生雪崩擊穿，如圖2所示。

(a)??? 體內等效電路

(b)??? 外部分析電路

圖1??? MOSFET等效電路

圖2??? 雪崩擊穿時I－V曲線

??? 下面利用圖1的等效電路來分析MOSFET的雪崩擊穿。

??? 假設三極管V_b≈0.6V，V_b=I_bR_b，則可得MOSFET源極電流

??? I_s=I_do＋γV_b=I_do＋γR_bI_b（1）

式中：I_do為漏極電壓較低時的飽和漏極電流；

??????????? γ為大信號體偏置系數（Large Signal Body-bias Coefficient），定義為

??????????? γ=ΔI_d/ΔV_b（2）

??? 當V_b很高時，漏極的強電場引起電子溝道電流的雪崩式倍增，產生的空穴向基極流動。

??? 如果增益為M，則基極電流為

??? I_b=I_d－I_s=MI_s－I_s=(M－1)(I_do＋γR_bI_b)(3)

可得

??? I_b=(4a)

??? I_s=(4b)

??? I_d=(4c)

當發生擊穿時，有

??? I_bR_b≈0.6V(5)

??? 由式(4)及式(5)可得擊穿時的關系式（下標SB為雪崩擊穿標志）為

??? 1－（6）

M的經驗表達式為

??? 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。

由式(4)及式(7)可得

??? 1＋γR_b＋(8a)

??? (8b)

??? 1－=(1＋γR_b)(8c)

在“快回”點，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，三極管基極電子、空穴重新結合所形成的電流，以及從三極管集電極到發射極空穴移動所形成的電流，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I_b使基極電位升高到一定程度時，寄生晶體管進入導通狀態，MOSFET漏源極電壓迅速下降，發生雪崩擊穿故障。

3??? 功率MOSFET雪崩擊穿的微觀分析

??? 雙極性器件在發生二次擊穿時，集電極電壓會在故障瞬間很短時間內（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，器件內部電場很大，電流密度也比較大，兩種因素同時存在，一起影響正常時的耗盡區固定電荷，使載流子發生雪崩式倍增。

??? 對于不同的器件，發生雪崩式注入的情況是不同的。對于雙極性晶體管，除了電場應力的原因外，正向偏置時器件的熱不穩定性，也有可能使其電流密度達到雪崩式注入值。而對于MOSFET，由于是多數載流子器件，通常認為其不會發生正向偏置二次擊穿，而在反向偏置時，只有電氣方面的原因能使其電流密度達到雪崩注入值，而與熱應力無關。以下對功率MOSFET的雪崩擊穿作進一步的分析。

??? 如圖1所示，在MOSFET內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部PN結間形成的等效器件，它們中的空穴、電子在高速開關過程中受各種因素的影響，會導致MOSFET的各種不同的表現。

??? 導通時，正向電壓大于門檻電壓，電子由源極經體表反轉層形成的溝道進入漏極，之后直接進入漏極節點；漏極寄生二極管的反向漏電流會在飽和區產生一個小的電流分量。而在穩態時，寄生二極管、晶體管的影響不大。

??? 關斷時，為使MOSFET體表反轉層關斷，應當去掉柵極電壓或加反向電壓。這時，溝道電流（漏極電流）開始減少，感性負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充電的比率有關；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，漏極電流越大電壓會升高得越快。

??? 如果沒有外部鉗位電路，漏極電壓將持續升高，則漏極體二極管由于雪崩倍增產生載流子，而進入持續導通模式（Sustaining Mode）。此時，全部的漏極電流（此時即雪崩電流）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，三者理論上都會激活寄生晶體管導通。寄生晶體管導通使MOSFET由高壓小電流迅速過渡到低壓大電流狀態，從而發生雪崩擊穿。

4??? 雪崩擊穿時能量與溫度的變化

??? 在開關管雪崩擊穿過程中，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通發生二次擊穿時，MOSFET會伴隨急劇的發熱現象，這是能量釋放的表現。以下對雪崩擊穿時能量耗散與溫升的關系進行分析。

??? 雪崩擊穿時的耗散能量與溫升的關系為

??????? Δθ_M∝（12）

??? 雪崩擊穿開始時，電流呈線性增長，增長率為

??? di/dt=V_BR/L（13）

式中：V_BR為雪崩擊穿電壓(假設為恒定)；

????? L為漏極電路電感。

??? 若此時MOSFET未發生故障，則在關斷時刻之前，其內部耗散的能量為

??? E=LI_o²（14）

式中：E為耗散能量；

????? I_o為關斷前的漏極電流。

??? 隨著能量的釋放，器件溫度發生變化，其瞬時釋放能量值為

??? P(t)=i(t)v=i(t)V_BR（15）

式中：

??? i(t)=I_o－t（16）

到任意時刻t所耗散的能量為

??? E=Pdt=L(I_o²－i²)（17）

在一定時間t后，一定的耗散功率下，溫升為

??????? Δθ=P_oK（18）

式中：K=，其中ρ為密度；k為電導率；c為熱容量。

??? 實際上耗散功率不是恒定的，用疊加的方法表示溫升為

??????? Δθ=P_oK－δP_nK（19）

式中：δP_n=δi_nV_BR=V_BRδt；

????? P_o=I_oV_BR；

??????????? δt=t_n－t_n－1；

????? t_m=t=。

則溫升可以表示為

??????? Δθ(t)=P_oK－Kδt（20）

可以表示成積分形式為

??????? Δθ(t)=P_oK－Kdτ(21)

在某一時刻t溫升表達式為

??????? Δθ(t)=P_oK－K(22)

將溫升表達式規范化處理，得

??? =(23)

式中：t_f=，為電流i=0的時刻；

????? Δθ_M為最大溫升(t=t_f/2時)。

??? 則由式(22)得

??????? Δθ=P_oK=I_oV_BRK(24)

??? 由上面的分析過程可以看出，在功率MOSFET發生雪崩擊穿時，器件溫度與初始電流，以及器件本身的性能有關。在雪崩擊穿后如果沒有適當的緩沖、抑制措施，隨著電流的增大，器件發散內部能量的能力越來越差，溫度上升很快，很可能將器件燒毀。在現代功率半導體技術中，MOSFET設計、制造的一個很重要方面就是優化單元結構，促進雪崩擊穿時的能量耗散能力。

5??? 結語

??? 與一般雙極性晶體管的二次擊穿不同，MOSFET的雪崩擊穿過程主要是由于寄生晶體管被激活造成的。MOSFET由于工作在高頻狀態下，其熱應力、電應力環境都比較惡劣，一般認為如果外部電氣條件達到寄生三極管的導通門檻值，則會引起MOSFET故障。在實際應用中，必須綜合考慮MOSFET的工作條件以及范圍，合理地選擇相應的器件以達到性能與成本的最佳優化。另一方面，在發生雪崩擊穿時，功率器件內部的耗散功率會引起器件的發熱，可能導致器件燒毀。在新的功率MOSFET器件中，能量耗散能力、抑制溫升能力的已經成為一個很重要的指標。