MOSFET雪崩擊穿問題解析- KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-10-09
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。
當MOSFET漏極存在大電流Id，高電壓Vd時，器件內電離作用加劇，出現大量的空穴電流，經Rb流入源極，導致寄生三極管基極電勢Vb升高，出現所謂的“快回(Snap-back)”現象，即在Vb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，(大量的研究和試驗表明，Ic,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Ib流過Rb；當Ib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。
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。
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dVDS/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dVDS/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。
與一般雙極性晶體管的二次擊穿不同，MOSFET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。
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