功率mosfet雪崩击穿问题分析

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1、功率MOSFET雪崩击穿问题分析摘要：分析了功率MOSFET雪崩击穿的原因，以及MOSFET故障时能量耗散与器件温升的关系。和传统的双极性晶体管相比，反向偏置时MOSFET雪崩击穿过程不存在“热点”的作用，而电气量变化却十分复杂。寄生器件在MOSFET的雪崩击穿中起着决定性的作用，寄生晶体管的激活导通是其雪崩击穿的主要原因。在MOSFET发生雪崩击穿时，器件内部能量的耗散会使器件温度急剧升高。关键词：双极性晶体管；功率MOSFET；雪崩击穿；寄生晶体管1引言功率MOSFET在电力电子设备中应用十分广泛，因其故障而引起的电子设备损坏也比较常见。分析研究功率MOSFET

2、故障的原因、后果，对于MOSFET的进一步推广应用具有重要意义。在正向偏置工作时，由于功率MOSFET是多数载流子导电，通常被看成是不存在二次击穿的器件。但事实上，当功率MOSFET反向偏置时，受电气量变化（如漏源极电压、电流变化）的作用，功率MOSFET内部载流子容易发生雪崩式倍增，因而发生雪崩击穿现象。与双极性晶体管的二次击穿不同，MOSFET的雪崩击穿常在高压、大电流时发生，不存在局部热点的作用；其安全工作范围也不受脉冲宽度的影响。目前，功率器件的故障研究已经从单纯的物理结构分析过渡到了器件建模理论仿真模拟层面。因此，本文将从理论上推导MOSFET故障时漏极电

3、流的构成，并从微观电子角度对MOSFET雪崩击穿现象作详细分析。同时，还将对故障时器件的能量、温度变化关系作一定的分析。2功率MOSFET雪崩击穿理论分析图1(a)为MOSFET的体内等效电路，其中含有一个寄生的双极性晶体管V2，它的集电极、发射极同时也是MOSFET的漏极和源极。当MOSFET漏极存在大电流Id，高电压Vd时，器件内电离作用加剧，出现大量的空穴电流，经Rb流入源极，导致寄生三极管基极电势Vb升高，出现所谓的“快回(Snap-back)”现象，即在Vb升高到一定程度时，寄生三极管V2导通，集电极（即漏极）电压快速返回达到晶体管基极开路时的击穿电压（增

4、益很高的晶体管中该值相对较低），从而发生雪崩击穿，如图2所示。   下面利用图1的等效电路来分析MOSFET的雪崩击穿。假设三极管Vb≈0.6V，Vb=IbRb，则可得MOSFET源极电流Is=Ido＋γVb=Ido＋γRbIb（1）式中：Ido为漏极电压较低时的饱和漏极电流；γ为大信号体偏置系数（LargeSignalBody-biasCoefficient），定义为γ=ΔId/ΔVb（2）当Vb很高时，漏极的强电场引起电子沟道电流的雪崩式倍增，产生的空穴向基极流动。如果增益为M，则基极电流为Ib=Id－Is=MIs－Is=(M－1)(Ido＋γRbIb)(3)可

5、得当发生击穿时，有IbRb≈0.6V(5)由式(4)及式(5)可得击穿时的关系式（下标SB为雪崩击穿标志）为 M的经验表达式为 式中：BV为漏极同p-基极间电压；n为常数。由式(4)及式(7)可得 在“快回”点，由式(8a)和式(8b)得 由式(6)及式(7)得  由式(10b)得 式(11)说明，ID,SB为MOSFET漏极寄生三极管集电极在二次击穿时的电流的总和。式(10a)表明，雪崩击穿电压随着Ido或Rb增大而减小。式(10b)则给出了雪崩击穿的边界电压。大量的研究和试验表明，Ic,SB很小。另外，由于寄生三极管的增益较大，故在雪崩击穿时，三极管基极电子、空

6、穴重新结合所形成的电流，以及从三极管集电极到发射极空穴移动所形成的电流，只占了MOSFET漏极电流的一小部分；所有的基极电流Ib流过Rb；当Ib使基极电位升高到一定程度时，寄生晶体管进入导通状态，MOSFET漏源极电压迅速下降，发生雪崩击穿故障。3功率MOSFET雪崩击穿的微观分析双极性器件在发生二次击穿时，集电极电压会在故障瞬间很短时间内（可能小于1ns）衰减几百伏。这种电压锐减主要是由雪崩式注入引起的，主要原因在于：二次击穿时，器件内部电场很大，电流密度也比较大，两种因素同时存在，一起影响正常时的耗尽区固定电荷，使载流子发生雪崩式倍增。对于不同的器件，发生雪崩式

7、注入的情况是不同的。对于双极性晶体管，除了电场应力的原因外，正向偏置时器件的热不稳定性，也有可能使其电流密度达到雪崩式注入值。而对于MOSFET，由于是多数载流子器件，通常认为其不会发生正向偏置二次击穿，而在反向偏置时，只有电气方面的原因能使其电流密度达到雪崩注入值，而与热应力无关。以下对功率MOSFET的雪崩击穿作进一步的分析。如图1所示，在MOSFET内部各层间存在寄生二极管、晶体管（三极管）器件。从微观角度而言，这些寄生器件都是器件内部PN结间形成的等效器件，它们中的空穴、电子在高速开关过程中受各种因素的影响，会导致MOSFET的各种不同的表现。导通时，正