MOSFET雪崩擊穿圖解 MOSFET避免雪崩失效的方法

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(guò)極限后，芯片最終會(huì)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(shí)，持續(xù)的時(shí)間一般在微秒量級(jí)，我們發(fā)現(xiàn)由于熱容的存在，瞬時(shí)熱量不足以傳遞到芯片引線(xiàn)框和封裝體，雪崩擊穿位置的溫度會(huì)急劇上升，當(dāng)超過(guò)PN結(jié)極限溫度（約400℃）時(shí)，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(cè)標(biāo)稱(chēng)的最高工作溫度Tjmax（150℃）。圖給出了在單脈沖雪崩后器件局部熱擊穿損壞照片。

圖 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(guò)程中芯片結(jié)溫超過(guò)Tjmax，而帶來(lái)的器件損壞；另一種表現(xiàn)為重復(fù)雪崩老化過(guò)程中，由于熱載流子效應(yīng)而帶來(lái)的器件參數(shù)漂移，是一個(gè)緩慢退化的過(guò)程。

MOSFET雪崩擊穿圖解

Power MOSFET四層結(jié)構(gòu)的橫截面如圖所示，通過(guò)MOSFET橫截面結(jié)構(gòu)圖可以發(fā)現(xiàn)MOSFET體內(nèi)存在 基極寄生電阻 、 寄生電容 、寄生雙極****晶體管和 內(nèi)置二極管 。

圖 Power MOSFET四層結(jié)構(gòu)橫截面

MOSFET雪崩擊穿的等效電路如圖所示，當(dāng)在MOSFET中的漏極和源極之間施加高于擊穿電壓的電壓時(shí)，內(nèi)置二極管(相當(dāng)于pn結(jié))進(jìn)入雪崩擊穿并通過(guò)雪崩電流。在這種雪崩擊穿期間，與 MOSFET內(nèi)部二極管電流呈反方向流動(dòng)的電流稱(chēng)為“ 雪崩電流I****AS ”，參見(jiàn)下圖(1)中雪崩電流路徑。

圖 MOSFET雪崩失效電流路徑示意圖(紅色部分)

MOSFET避免雪崩失效的方法

一般情況下，有抗雪崩保證的MOSFET，在其規(guī)格書(shū)中會(huì)規(guī)定IAS和EAS的絕對(duì)最大額定值，因此可以通過(guò)規(guī)格書(shū)來(lái)了解詳細(xì)的值。在有雪崩電流流動(dòng)的工作環(huán)境中，需要把握I****AS和E****AS的 實(shí)際值 ，并在絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)使用。

引發(fā)雪崩擊穿的例子包括反激式轉(zhuǎn)換器中的MOSFET關(guān)斷時(shí)的反激電壓和寄生電感引起的浪涌電壓等。針對(duì)反激電壓引起的 雪崩擊穿 ，對(duì)策包括在設(shè)計(jì)電路時(shí)采用降低反激電壓的設(shè)計(jì)或使用具有更高耐壓性能的MOSFET。而針對(duì)寄生電感引起的 雪崩擊穿 ，改用引腳更****短的封裝的MOSFET或改善電路板布局以降低寄生電感等都是比較有效的措施。