功率器件雪崩擊穿的工作原理和失效機理

引言

雪崩耐量是功率器件性能評估的關(guān)鍵指標(biāo)，那么什么是雪崩耐量呢？即向半導(dǎo)體的接合部施加較大的反向衰減偏壓時,電場衰減電流的流動會引起雪崩衰減,此時元件可吸收的能量稱為雪崩耐量，表示施加電壓時的抗擊穿能力。它對步進電機，開關(guān)電源等終端產(chǎn)品的安規(guī)及可靠性有著緊密的影響。新潔能是國內(nèi)為數(shù)很少的、擁有自主半導(dǎo)體器件工藝設(shè)計能力的功率集成電路設(shè)計公司，顯著區(qū)別于只能采用晶圓廠標(biāo)準(zhǔn)工藝制程的一般設(shè)計公司。新潔能應(yīng)用團隊從功率器件的雪崩原理入手詳細為大家介紹以下幾點:

1、雪崩擊穿的原理與介紹；

2、單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩的測試原理有什么不同；

3、雪崩擊穿失效機理是什么；

4、如何在應(yīng)用設(shè)計中提升電路的抗雪崩能力；

一、雪崩擊穿的原理與介紹

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承受的雪崩耐量的強弱，分別是：

1、單脈沖雪崩耐量;

2、重復(fù)雪崩耐量。

二、單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩的測試原理

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極施加開啟信號，器件導(dǎo)通，電流從器件的溝道通路流通對電感L儲能；當(dāng)單脈沖結(jié)束，驅(qū)動信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，Gate關(guān)閉，此時電感能量泄放于器件上。

圖1給出了單脈沖雪崩測試的原理圖，對待測器件的Gate極施加開啟信號，器件導(dǎo)通，電流從器件的溝道通路流通對電感L儲能；當(dāng)單脈沖結(jié)束，驅(qū)動信號由高電平變?yōu)榈碗娖剑珿ate關(guān)閉，此時電感能量泄放于器件上。

（圖1）

圖2給出了單脈沖雪崩測試幾個關(guān)鍵位置結(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，器件的漏端電壓瞬時升高到雪崩電壓，擊穿器件，一直持續(xù)到電感能量在數(shù)微秒時間內(nèi)完全泄放完畢。

Test Condition:

L=0.50mH,Vd=40.0V,Vgon=10.0V,Vgoff=0.0V,

Rg=25ohm,TestMode=Mode2

（圖2）

雪崩泄放的總能量由以下公式可得知：

其中：

因為在實際的測試中，我們通常會固定L和VIN的值，所以我們只要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)溫達到Tjmax時，即為所測器件的EAR最大值。

（圖3）

三、雪崩擊穿的失效機理

雖然當(dāng)功率器件承受的雪崩耐量超過極限后，芯片都會發(fā)生損壞，但是單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩的失效機理卻并不相同。

在單脈沖雪崩發(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，所以雪崩擊穿位置的溫度會急劇上升，當(dāng)超過芯片內(nèi)部PN結(jié)極限溫度(約200℃)時，芯片會存在過熱擊穿損壞。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℃)。重復(fù)雪崩的失效機理主要有兩種，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)為在重復(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，這是一個緩慢退化的過程，圖4，圖5給出了器件在雪崩擊穿后局部的損壞形貌。

（圖4）

（圖5）

四、如何在應(yīng)用中提升器件雪崩能力

雪崩耐量是功率器件關(guān)鍵指標(biāo)，我們以開關(guān)電源舉例，在反激式開關(guān)電源中一般都會配置RCD吸收回路來抑制雪崩發(fā)生（如圖6,圖7）。

（圖6）

（圖7）

RCD的工作過程，是當(dāng)MOS管導(dǎo)通，電壓流過變壓器初級線圈，對線圈充電，當(dāng)MOS管關(guān)閉后，電感產(chǎn)生反電動勢，變壓器次級通過二極管輸出電壓，由于初級線圈有漏感，不能全部轉(zhuǎn)移到次級，多余的能量就會和電源電壓疊加，產(chǎn)生VDS尖峰電壓，尖峰電壓通過二極管對電容充電，在MOS再次導(dǎo)通時，電容上的電壓通過電阻放電，把多余的能量通過電阻消耗掉，RCD的一個工作周期完成，繼續(xù)循環(huán)下一個周期。

我們以開關(guān)電源原邊側(cè)功率管的DRAIN波形為例（綠色），如圖8是未增加RCD回路的VDS尖峰波形，尖峰電壓596V，圖9為增加RCD回路的VDS尖峰波形，尖峰電壓560V,可以看到尖峰電壓有了明顯改善，整個系統(tǒng)的雪崩能力也得到了提高，可靠性大幅增強，所以我們選擇雪崩耐量優(yōu)異的分立器件或與之匹配的吸收回路是與整個電源系統(tǒng)可靠性緊密相關(guān)的。

（圖8）

（圖9）