功率MOSFET的雪崩強度限值是衡量器件針對于感性負載在開關(guān)動作應(yīng)用中的重要參數(shù)。 清楚地理解雪崩強度的定義，失效的現(xiàn)象及評估的方法是功率MOSFET電路設(shè)計必備的能力。 本文將以下面三個方面進行探討：

雪崩能量的定義及相關(guān)參數(shù)

雪崩強度限值超限的失效

雪崩強度限值的計算與評估

1.雪崩能量的定義和相關(guān)參數(shù)

雪崩擊穿的定義：

材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場隨著增強。 這樣通過空間電荷區(qū)的電子和空穴，就會在電場作用下，使獲得的能量增大。 在晶體中運行的電子和空穴將不斷的與晶體原子發(fā)生碰撞，通過這樣的碰撞可使束縛在共價鍵中的價電子碰撞出來，產(chǎn)生自由電子-空穴對。 新產(chǎn)生的載流子在電場作用下撞出其他價電子，又產(chǎn)生新的自由電子和空穴對。 如此連鎖反應(yīng)，使得阻擋層中的載流子的數(shù)量雪崩式地增加，流過PN結(jié)的電流就急劇增大擊穿PN結(jié)，這種碰撞電離導(dǎo)致?lián)舸┓Q為雪崩擊穿，也稱為電子雪崩現(xiàn)象。

MOSFET的雪崩現(xiàn)象：

在感性負載的電路應(yīng)用中，MOSFET導(dǎo)通時對感性負載充電，電感積聚能量； 當(dāng)MOSFET關(guān)閉時，感性負載中積聚的能量釋放，引起MOSFET漏極和源極間電壓急速上升，并有電流流過，直至能量釋放結(jié)束，電流和電壓降至為零，這個過程就是MOSFET中雪崩的現(xiàn)象，如下面的圖1，圖2，圖3。

在圖2中，MOSFET關(guān)閉時所承受的能量沖擊被鉗在了擊穿電壓VBR上，雖然datasheet中沒有給出具體的VBR值，但我們可以根據(jù)已知的V(BR)DSS值估算出。 VBR≈3*V(BR)DSS。

在圖4中，雪崩電流最大值IDS(AL)S和電流衰減時間tAL，及圖5中的雪崩功率PDS(AL)M都和感性負載的感值，MOSFET關(guān)閉前電流的最大值有關(guān)。

2.雪崩強度限值超限的失效

超過了雪崩強度限值EDS(AL)S和IAS就有可能發(fā)生元件失效。

很多工程師都會有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)你將失效的MOSFET發(fā)給供應(yīng)商進行分析的時候，供應(yīng)商報告的結(jié)論往往都是EOS（電氣過應(yīng)力）。 但我們希望得到的信息是元件哪里出現(xiàn)了損傷？ 有可能造成這種損傷的情況有哪些？

MOSFET的雪崩失效是一個短時間內(nèi)的過熱失效，所以通常在晶圓的某個位置會出現(xiàn)圓點的實效點。 如下圖所示。

通常持續(xù)ms級別的雪崩失效，失效圓點往往出現(xiàn)在連接引線和晶圓結(jié)合的位置，因為這里的電流密度較高。

持續(xù)us級別的雪崩失效，失效圓點往往可能發(fā)生在晶圓的任意地方。

3.雪崩強度限值的計算與評估

單次雪崩時間的失效機理就是結(jié)合點的溫度超出了最大溫度限值。 所以要通過計算或是電路仿真的方法來確保MOSFET的使用在雪崩限值以下。

計算的方法：

計算時需要注意的兩點：

雪崩事件是發(fā)生在MOSFET關(guān)閉之后的，那么關(guān)閉之前MOSFET的結(jié)合點已經(jīng)達到了一定的溫度，那么Tjmax=Tj_ON+delta_Tj_(AL)。

delta_Tj_(AL)=PDS(AL)MtALZth_tAL，這里的Zth_tAL需要從脈沖熱阻曲線中獲得。

仿真的方法：

仿真的方法相對簡單，只需要搭建出原理圖和MOSFET熱阻模型，便可以輕松快速地獲得雪崩事件中MOSFET結(jié)合點的溫度。

雪崩強度是功率MOSFET重要的性能參數(shù)指標(biāo)，也是設(shè)計者在電路設(shè)計中需要提前預(yù)防的要點。 希望本文能夠幫助大家縷清雪崩事件的前因后果，讓設(shè)計的電路魯棒性更強。