mos管雪崩击穿分析机械制造电气技术_资格考试-专升本考试.pdf

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1、mos管雪崩击穿分析 本页仅作为文档封面，使用时可以删除 This document is for reference only-rar21 year.March 功率MOSFET雪崩击穿问题分析 2008-10-29 10:08:00【文童字体：左 主 尘】推荐收藏打印 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。利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

2、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；能量耗散 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。但申实上，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

3、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 作范阖也不受脉冲宽度的影响。目前，功率器件的故障研究己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-ba

4、ck）现象，即在 Vb升高到一淀程度 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（增益很高的晶体管中该值相对较低），从而发生雪崩击穿，（大量的 研究和试验表明，CSB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 lb 流过 Rb：当 lb 使基极电位升高到-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

5、生二次击穿吋，集电极电压 会在故障瞬间很短时间内（可能小于 Ins）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，发生雪崩式注入的情况是不同的。对于双极性晶体 管，除了电场应力的析了功率雪崩击穿的原因以及故障时能量耗散与器件温升的关系利传统的双极性晶体管相比反向偏置时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击穿寄生晶体管能量耗散引言功率在电力电子设备中应用十分广泛

6、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故障的原因后果对于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是多载流子导电通常被看成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阖也不受脉冲宽度的影响目前功率器件的故障研究己经从单纯的物理结构分析过渡到原因外，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 M

7、OSFET的雪崩击穿作进一步的分 析。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，Z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

8、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 dVDS/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；而后者是由漏一源极 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 dVDS/dt 电流)、雪崩电流，三考理论上 都

9、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 件各耗散层和沟道屮，在寄生三极管激活导通发生二次击穿时，MOSFET会伴随急 剧的发热现彖，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 AQMcx(12)雪崩击穿开始时，电流呈线性增长，增长率为 di/dt=VBR/L(13)式中:VBR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 Z前，其内 部耗散的能量

10、为 E=Llo2(14)式中：E为耗散能量；Io 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)VBR(15)式 中：i(t)=lot(16)到任意时刻 t 所耗散的能量为E=Pdt=L(lo2-i2)(17)在一定 时间 t 后，一定的耗散功率下，温升为 A0=PoK(18)式中：K=,其中 p 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 Ae=PoK-6PnK(19)式中：Pn=6inVBR=VBR6t；Po=loVBR：6t=tn-tn-l；tm=t=o则温升可以表示为 A0(t)=P

11、oK K6t(20)可以表示成积分形式为 40(t)=PoK Kdi(21)在某-吋刻 t 温升表达式为 A0(t)=PoKK(22)将温升表达式规范化处理，得=(23)式中：tf=,为电析了功率雪崩击穿的原因以及故障时能量耗散与器件温升的关系利传统的双极性晶体管相比反向偏置时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击穿寄生晶体管能量耗散引言功率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故障的原因后果对于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是多载流子导电通常被看成容易发生

12、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阖也不受脉冲宽度的影响目前功率器件的故障研究己经从单纯的物理结构分析过渡到流 i=0的时刻;A6M 为最大温升(t=tf/2 时)。则由式(22)得 Ae=PoK=loVBRK(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

13、面就是优化单元结构，促进雪崩击穿时的能量耗散能力。5 结语析了功率雪崩击穿的原因以及故障时能量耗散与器件温升的关系利传统的双极性晶体管相比反向偏置时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击穿寄生晶体管能量耗散引言功率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故障的原因后果对于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是多载流子导电通常被看成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阖也不受脉

14、冲宽度的影响目前功率器件的故障研究己经从单纯的物理结构分析过渡到与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。在实际应用屮，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-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、抑制温升能力的己经成为-个很重要的指标。析了功率雪崩击穿的原因以及故障时能量耗散与器件温升的关系利传统的双极性晶体管相比反向偏置时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击穿寄生晶体管能量耗散引言功率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故障的原因后果对于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是多载流子导电通常被看成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阖也不受脉冲宽度的影响目前功率器件的故障研究己经从单纯的物理结构分析过渡到