功率MOSFET雪崩击穿问题分析

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，正向电压大于门槛电压，电子由源极经体表反转层形成的沟道进入漏极，之后直接进入漏极节点；漏极寄生二极管的反向漏电流会在饱和区产生一个小的电流分量。而在稳态时，寄生二极管、晶体管的影响不大。

关断时，为使MOSFET体表反转层关断，应当去掉栅极电压或加反向电压。这时，沟道电流（漏极电流）开始减少，感性负载使漏极电压升高以维持漏极电流恒定。漏极电压升高，其电流由沟道电流和位移电流（漏极体二极管耗尽区生成的，且与dV_DS/dt成比例）组成。漏极电压升高的比率与基极放电以及漏极耗尽区充电的比率有关；而后者是由漏－源极电容、漏极电流决定的。在忽略其它原因时，漏极电流越大电压会升高得越快。

如果没有外部钳位电路，漏极电压将持续升高，则漏极体二极管由于雪崩倍增产生载流子，而进入持续导通模式（Sustaining Mode）。此时，全部的漏极电流（此时即雪崩电流）流过体二极管，而沟道电流为零。

由上述分析可以看出，可能引起雪崩击穿的三种电流为漏电流、位移电流（即dV_DS/dt电流）、雪崩电流，三者理论上都会激活寄生晶体管导通。寄生晶体管导通使MOSFET由高压小电流迅速过渡到低压大电流状态，从而发生雪崩击穿。

4 雪崩击穿时能量与温度的变化

在开关管雪崩击穿过程中，能量集中在功率器件各耗散层和沟道中，在寄生三极管激活导通发生二次击穿时，MOSFET会伴随急剧的发热现象，这是能量释放的表现。以下对雪崩击穿时能量耗散与温升的关系进行分析。

雪崩击穿时的耗散能量与温升的关系为

Δθ_M∝（12）

雪崩击穿开始时，电流呈线性增长，增长率为

di/dt=V_BR/L（13）

式中：V_BR为雪崩击穿电压(假设为恒定)；

L为漏极电路电感。

若此时MOSFET未发生故障，则在关断时刻之前，其内部耗散的能量为

E=LI_o²（14）

式中：E为耗散能量；

I_o为关断前的漏极电流。

随着能量的释放，器件温度发生变化，其瞬时释放能量值为

P(t)=i(t)v=i(t)V_BR（15）

式中：

i(t)=I_o－t（16）

到任意时刻t所耗散的能量为

E=Pdt=L(I_o²－i²)（17）

在一定时间t后，一定的耗散功率下，温升为

Δθ=P_oK（18）

式中：K=，其中ρ为密度；k为电导率；c为热容量。

实际上耗散功率不是恒定的，用叠加的方法表示温升为

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=。

则温升可以表示为

Δθ(t)=P_oK－Kδt（20）

可以表示成积分形式为

Δθ(t)=P_oK－Kdτ(21)

在某一时刻t温升表达式为

Δθ(t)=P_oK－K(22)

将温升表达式规范化处理，得

=(23)

式中：t_f=，为电流i=0的时刻；

Δθ_M为最大温升(t=t_f/2时)。

则由式(22)得

Δθ=P_oK=I_oV_BRK(24)

由上面的分析过程可以看出，在功率MOSFET发生雪崩击穿时，器件温度与初始电流，以及器件本身的性能有关。在雪崩击穿后如果没有适当的缓冲、抑制措施，随着电流的增大，器件发散内部能量的能力越来越差，温度上升很快，很可能将器件烧毁。在现代功率半导体技术中，MOSFET设计、制造的一个很重要方面就是优化单元结构，促进雪崩击穿时的能量耗散能力。

5 结语

与一般双极性晶体管的二次击穿不同，MOSFET的雪崩击穿过程主要是由于寄生晶体管被激活造成的。MOSFET由于工作在高频状态下，其热应力、电应力环境都比较恶劣，一般认为如果外部电气条件达到寄生三极管的导通门槛值，则会引起MOSFET故障。在实际应用中，必须综合考虑MOSFET的工作条件以及范围，合理地选择相应的器件以达到性能与成本的最佳优化。另一方面，在发生雪崩击穿时，功率器件内部的耗散功率会引起器件的发热，可能导致器件烧毁。在新的功率MOSFET器件中，能量耗散能力、抑制温升能力的已经成为一个很重要的指标。