全方位理解功率MOSFET的雪崩失效现象

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。

其中MOSFET的雪崩击穿失效导致的故障是功率MOSFET比较典型的故障之一。本文就对功率MOSFET雪崩击穿的特性，以及在电源案例中的典型故障进行了简单的分析，来全方位的理解功率MOSFET的雪崩失效现象。

2 功率MOSFET雪崩击穿理论分析

在功率MOSFET雪崩分析之前，需要对数据手册中的相关参数进行说明。一般数据手册中包含如下图所示的单脉冲雪崩能量EAS、重复脉冲雪崩能量EAR、单次脉冲雪崩电流IAS等。这些参数反映了该功率MOSFET的雪崩能力。

图1 MOSFET的相关雪崩参数

图2为MOSFET的体内等效电路，阐述了雪崩击穿的原因。其中含有一个寄生的双极性晶体管V2，它的集电极、发射极同时也是MOSFET的漏极和源极。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- back) ”现象，即在Vb升高到一定程度时，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，如图2所示。

(a) 功率MOSFET体内等效电路图

(b) 外部分析电路

图2 MOSFET 等效电路

图3 雪崩击穿时I -V 曲线

3 功率 MOSFET 雪崩击穿的微观分析

双极性器件在发生二次击穿时，集电极电压会在故障瞬间很短时间内(可能小于1ns)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MOSFET 的雪崩击穿作进一步的分析。

如图2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－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

其中，A是硅片面积，K常数与硅片的热性能相关。

而雪崩能量为

由上述公式可以看出，在功率MOSFET发生雪崩击穿时，器件温度与初始功率，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。

5 雪崩能量的测量

雪崩能量通常在非钳位感性开关UIS条件下测量，通常包括二组值：单脉冲雪崩能量EAS和单脉冲雪崩电流IAS，重复脉冲雪崩能量EAR和重复脉冲雪崩电流IAR。单脉冲雪崩能量和雪崩电流的测试的电路有二种：去耦的EAS测量电路和非去耦的EAS测量电路，如图4、图5所示。

图4 去耦的EAS测量电路

图5 非去耦的EAS测量电路

对于一些中、低压的器件，VDS - VDD变得很小，使用非去耦电路测量会产生较大的差异，因此对于中、低压的功率MOSFET，通常使用去耦的EAS测量电路。

在去耦的EAS测量电路中，当测试的功率MOSFET和控制管同时关断时，由于MOSFET的D、S之间有寄生电容CDS，因此在二极管导通续流时，电感L和CDS形成谐振回路，L的电流降低使CDS上的电压上升，直到电感的电流为0时，续流二极管D自然关断，电感L中储存的能量应该全部转换到CDS中。

如果电感L=0.1mH，IAS=10A，CDS=1nF，理论上，电压VDS为：

得VDS=3100V。

这样高的电压值是不可能的，那么为什么会有这样的情况？从实际的工作原理来看，MOSFET的D、S内部相当于一个反并联的二极管。当这个二极管两端加上反向电压，因此其工作在反向工作区，随着VDS增加，高过BVDSS，增加到接近于对应二极管的钳位电压时，VDS的电压就不会再明显的增加，而是维持在钳位电压值基本不变。此时，MOSFET工作于雪崩区，最大的平台钳位电压就是雪崩电压。

为了保障MOSFET工作在雪崩区不失效，还必须考虑MOSFET的雪崩能量与温升的关系，

比如在去耦的EAS测试电路中，单次雪崩能量为

雪崩功率为

结合式(2), (4), (5)可以得出雪崩功率，再由式(6)即可估算出MOSFET的节温的温升。

图6给出了两个不同的估算结果，差异还是比较大的，所以具体应用时，应以具体的条件参数估算温升，防止过温损坏。

图6 不同测试条件下的温升测试结果

6 雪崩能量的失效机理

功率MOSFET的雪崩损坏有三种模式：热损坏、寄生三极管导通损坏和VGS尖峰误触发导通损坏。

1) 热损坏

功率MOSFET在功率脉冲的作用下进入雪崩的工作状态，VDS电压增加，体到epi-结的电场也增加，当场强增加到临界值时（硅中大约为300kV/cm），产生载流子的雪崩倍增，导致电流突然急剧增加。雪崩倍增并不是一个损坏的过程，在这个过程中，由于功耗增加导致硅片的结温升高，当结温升高到硅片特性允许的临界值，失效将发生。

2) 寄生三极管导通损坏

前文已详细分析了雪崩现象的产生。寄生三极管的失效分为热击穿和二次击穿，如图7所示。

热击穿：耗散功率转化为热，使集电结结温升高，集电结结电流进一步增大，使三极管烧毁。

二次击穿：局部大电流导致三极管烧通，使VCE击穿电压急剧降低，IC电流增大，使三极管烧毁。

图7 寄生三极管雪崩失效

3) VGS尖峰误触发导通损坏

功率MOSFET在雪崩过程中硅片的温度升高，VGS的阈值急剧降低，同时在雪崩过程中，VDS的电压耦合到G极，在G、S上产生的电压VGS高于的阈值，MOSFET误触发而开通，导致瞬态的大电流流过硅片局部区域，产生电流熔丝效应，从而损坏功率MOSFET，在这个过程中，通常也会叠加寄生三极管导通的损坏机理。在实际应用中，UIS雪崩较少以这种方式发生失效。

7 雪崩能量的应用与预防措施

在实际的应用中，雪崩的损坏常发生在过压过流高温等极端条件下。如高温下，系统输出短路及过载测试，输入过电压测试以及动态的老化测试中，MOSFET的损坏需要考虑雪崩能量导致的击穿。

MOSFET的电压尖峰产生时，例如反激应用，MOSFET关断时会产生较大的电压尖峰：VIN+输出反射电压+漏感，这时需要考虑雪崩能量，必要时，需加一些防护措施(加钳位电路)，保证MOSFET不被损坏。

发生在电感上的没有预料到的瞬态电压，如输出短路时，变压器原边电感饱和，引起瞬态大电流的变化，器件需要考虑雪崩击穿的可能。相应的预防措施有a) 加开短路的系统响应，以降低漏极电流；b) 优化电路以及变压器设计，减小漏感和线路杂散电感；c) 加缓冲电路抑制di/dt.

8 总结

本文阐述和分析了MOSFET的雪崩现象的相关问题，包括雪崩击穿的理论分析，雪崩能量以及温升的关系，雪崩能量的测量和应用中如何考虑雪崩现象和相关的预防措施。今后在工作中可以针对MOSFET的使用以及失效时有一个更明确的认识和分析，给出更具有针对性的措施。