什么是雪崩擊穿?單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩有何不同?
當(dāng)功率器件PN結(jié)的反向電壓增大到某一數(shù)值后,半導(dǎo)體內(nèi)載流子通過碰撞電離開始倍增,這一現(xiàn)象與宏觀世界中高山雪崩是很像的,所以我們稱之為雪崩擊穿。
功率器件并不是觸發(fā)雪崩就會損壞的,而是對雪崩能量有一定的承受能力,稱之為雪崩耐量,一般從以下兩個特性來考量某個功率器件承受的雪崩耐量的強弱,分別是:
- 單脈沖雪崩耐量
- 重復(fù)雪崩耐量
單脈沖雪崩
圖1給出了單脈沖雪崩測試的原理圖,對待測器件的Gate施加開啟信號,器件導(dǎo)通,電感L開始儲能,當(dāng)電感儲能達(dá)到一定值以后,關(guān)閉Gate,此時電感能量只能通過雪崩電流來泄放。
圖1. 單脈沖雪崩測試的原理圖
圖2給出了單側(cè)雪崩測試幾個關(guān)鍵結(jié)點的示波器波形圖,可以看到當(dāng)器件Gate電壓Vgs從高變低后,器件漏端電壓瞬時升高到雪崩擊穿電壓,直到電感能量在數(shù)微秒時間內(nèi)泄放完畢。
圖2. 單脈沖雪崩測試波形圖
雪崩泄放的總能量由以下公式給出
其中:
在實際測試中,通常會固定L和VIN,通過不斷增大脈寬寬度TPulse,測得器件不損壞的最大雪崩耐量即為所測器件的EAS值。
重復(fù)雪崩耐量
圖3給出了重復(fù)雪崩測試的原理圖,對待測器件的Gate施加周期性開關(guān)信號,通過器件反復(fù)開關(guān),周期性對電感儲能,并通過器件雪崩釋放能量。對于重復(fù)雪崩,每次發(fā)生雪崩的能量要比EAS小很多,但重復(fù)累加的能量會比單脈沖雪崩多很多,所以芯片結(jié)溫和管殼溫度都會升高,當(dāng)芯片結(jié)溫達(dá)到Tjmax時,即為所測器件的EAR最大值。
圖3. 重復(fù)雪崩測試的原理圖
雪崩擊穿失效機(jī)理是什么?
當(dāng)功率器件承受的雪崩耐量超過極限后,芯片最終會損壞,然而單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩的失效機(jī)理并不相同。
單脈沖雪崩發(fā)生時,持續(xù)的時間一般在微秒量級,我們發(fā)現(xiàn)由于熱容的存在,瞬時熱量不足以傳遞到芯片引線框和封裝體,雪崩擊穿位置的溫度會急劇上升,當(dāng)超過PN結(jié)極限溫度(約400℃)時,芯片熱擊穿損壞。所以單脈沖雪崩的極限溫度限制是PN結(jié)的熱擊穿溫度,而非器件手冊標(biāo)稱的最高工作溫度Tjmax(150℃)。圖4給出了在單脈沖雪崩后器件局部熱擊穿損壞照片。
圖4. 單脈沖雪崩引起的器件局部熱擊穿損壞
重復(fù)雪崩的失效機(jī)理主要有兩種,一種是重復(fù)雪崩過程中芯片結(jié)溫超過Tjmax,而帶來的器件損壞;另一種表現(xiàn)為重復(fù)雪崩老化過程中,由于熱載流子效應(yīng)而帶來的器件參數(shù)漂移,是一個緩慢退化的過程。
平面型VDMOS和超結(jié)型VDMOS的雪崩能力有何差異?
VDMOS主要由終端結(jié)構(gòu)和元胞兩部分組成,為了得到比較好的器件雪崩耐量,器件結(jié)構(gòu)上能均勻雪崩擊穿是關(guān)鍵。為了做到這一點,芯朋微電子把終端結(jié)構(gòu)的耐壓設(shè)計的高于元胞。
在滿足上面的設(shè)計條件后,雪崩的觸發(fā)位置會在元胞電場強度最大的地方。如圖5所示,對于平面型VDMOS,為了保證雪崩耐量,芯朋微電子內(nèi)置高壓功率器件的電場最強的地方通常在Pbody的側(cè)下方。
圖5.平面型VDMOS電場分布
但對于超結(jié)型VDMOS,為了降低Rdson,芯朋都會對電場進(jìn)行優(yōu)化,如圖6所示,可見超結(jié)型VDMOS的電場特性是有可能帶來雪崩觸發(fā)位置的隨機(jī)變化,所以超結(jié)型VDMOS的雪崩能力較弱,超結(jié)型VDMOS的雪崩一致性設(shè)計難度要遠(yuǎn)高于平面型VDMOS。
圖6.超結(jié)型VDMOS電場分布
功率半導(dǎo)體器件的研發(fā)一直在不斷追求更低的特征導(dǎo)通電阻,也就是希望以更小的芯片面積獲得同樣的導(dǎo)通電阻,然而隨著芯片面積的減小,器件的熱阻也就是散熱特性會變差,所以芯片的重復(fù)雪崩耐量EAR會降低。目前超結(jié)型VDMOS的特征導(dǎo)通電阻已經(jīng)比平面型VDMOS優(yōu)化數(shù)倍以上,帶來的犧牲就是相同Rdson規(guī)格的超結(jié)型VDMOS比平面型VDMOS的重復(fù)雪崩耐量EAR要差很多。
圖7.特征導(dǎo)通電阻與雪崩耐量
VDMOS該如何選型?
雪崩耐量是功率器件關(guān)鍵指標(biāo),雖然系統(tǒng)中一般都會配置RCD吸收回路,來抑制雪崩發(fā)生,然而在做雷擊浪涌測試或者市電瞬時過壓的時候,還是不可避免使器件發(fā)生雪崩的,因此選擇雪崩耐量優(yōu)異的分立器件或開關(guān)電源芯片是與電源系統(tǒng)可靠性緊密相關(guān)的。
當(dāng)EMI濾波器的防雷等級較高時(采用共模電感+X電容濾波器結(jié)構(gòu)+防雷器件),并對開關(guān)頻率有較高要求時,可選用超結(jié)型VDMOS,避免雷擊殘壓造成MOS雪崩損壞;
當(dāng)EMI濾波器防雷等級較低時(采用π型濾波器+防雷器件),優(yōu)先選用雪崩能力強的平面型VDMOS。
芯朋微電子的開關(guān)電源芯片系列中,可提供高雪崩耐量的智能VDMOS器件,如圖8所示:
圖8.反激開關(guān)電源系統(tǒng)圖
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