電子和空穴穿越空間電荷區(qū)時，與空間電荷去內(nèi)的電子發(fā)生碰撞產(chǎn)生電子-空穴對，在pn 結(jié)內(nèi)形成一股很大的反偏電流，這個過程就稱為雪崩擊穿。

目錄

• 雪崩擊穿的原理
• 雪崩擊穿的理論分析
• 雪崩擊穿的微觀分析
• 雪崩擊穿時能量與溫度的變化

• 雪崩擊穿的原理

  • 隨著反向電壓的提高，空間電荷區(qū)內(nèi)電場增強(qiáng)，通過勢壘區(qū)的載流子獲得的能量也隨之增加。當(dāng)反向電壓接近擊穿電壓UB時，這些有較高能量的載流子與空間電荷區(qū)內(nèi)的中性原子相遇發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。這些新產(chǎn)生的電子和空穴又會在電場的作用下，重新獲得能量，碰撞其它的中性原子使之電離，再產(chǎn)生更多的電子-空穴對。這種連鎖反應(yīng)繼續(xù)下去，使空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量劇增，就像雪崩一樣，使反向電流急劇增大，產(chǎn)生擊穿。所以把這種擊穿稱為雪崩擊穿。

    雪崩擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較低、外加電壓又較高的PN結(jié)中。這是因?yàn)閾诫s濃度較低的PN結(jié)，空間電荷區(qū)寬度較寬，發(fā)生碰撞電離的機(jī)會較多。

• 雪崩擊穿的理論分析
  • 當(dāng)過程中 受各種因素的影響,會導(dǎo)致 MOSFET 的各種不同的表現(xiàn).導(dǎo)通時,正向電壓大于門檻 電壓,電子由源極經(jīng)體表反轉(zhuǎn)層形成的溝道進(jìn)入漏極,之后直接進(jìn)入漏極節(jié)點(diǎn);漏 極寄生二極管的反向漏電流會在飽和區(qū)產(chǎn)生一個小的電流分量.而在穩(wěn)態(tài)時,寄生 二極管,晶體管的影響不大.關(guān)斷時,為使 MOSFET 體表反轉(zhuǎn)層關(guān)斷,應(yīng)當(dāng)去掉柵極 電壓或加反向電壓.這時,溝道電流(漏極電流)開始減少,感性負(fù)載使漏極電壓 升高以維持漏極電流恒定.漏極電壓升高,其電流由溝道電流和位移電流(漏極體 二極管耗盡區(qū)生成的,且與 dVDS/dt 成比例)組成.漏極電壓升高的比率與基極放 電以及漏極耗盡區(qū)充電的比率有關(guān);而后者是由漏-源極電容,漏極電流決定的. 在忽略其它原因時,漏極電流越大電壓會升高得越快.如果沒有外部鉗位電路,漏 極電壓將持續(xù)升高,則漏極體二極管由于雪崩倍增產(chǎn)生載流子,而進(jìn)入持續(xù)導(dǎo)通模 式(Sustaining Mode).此時,全部的漏極電流(此時即雪崩電流)流過體二極管, 而溝道電流為零.由上述分析可以看出,可能引起雪崩擊穿的三種電流為漏電流, 位移電流(即 dVDS/dt 電流),雪崩電流,三者理論上都會激活寄生晶體管導(dǎo)通. 寄生晶體管導(dǎo)通使 MOSFET 由高壓小電流迅速過渡到低壓大電流狀態(tài), 從而發(fā)生雪崩 擊穿.
• 雪崩擊穿的微觀分析

  • 在開關(guān)管雪崩擊穿過程中, 能量集中在功率 器件各耗散層和溝道中,在寄生三極管激活導(dǎo)通發(fā)生二次擊穿時,MOSFET 會伴隨急 劇的發(fā)熱現(xiàn)象,這是能量釋放的表現(xiàn).以下對雪崩擊穿時能量耗散與溫升的關(guān)系進(jìn) 行分析.雪崩擊穿時的耗散能量與溫升的關(guān)系為 電流呈線性增長,增長率為

    ΔθM∝

    雪崩擊穿開始時, di/dt=VBR/L(13)式中:VBR 為雪崩擊穿電壓(假設(shè) 為恒定);L 為漏極電路電感.若此時 MOSFET 未發(fā)生故障,則在關(guān)斷時刻之前,其 內(nèi)部耗散的能量為

    E=LIo2(14)

    式中:E 為耗散能量;Io 為關(guān)斷前的漏極電流. 隨著能量的釋放,器件溫度發(fā)生變化,其瞬時釋放能量值為

    P(t)=i(t)v=i(t)VBR

    式中: i(t)=Io-t (16) 到任意時刻 t 所耗散的能量為 (17)在一定時間 t 后,一定的耗散功率下,溫升為 方法表示溫升為 E=Pdt=L(Io2-i2) Δθ=PoK(18)式中:K=,

    其中 ρ 為密度;k 為電導(dǎo)率;c 為熱容量.實(shí)際上耗散功率不是恒定的,用疊加的

    Δθ=PoK-δPnK(19)

    式中:Pn=δinVBR=VBRδt; Po=IoVBR; δt=tn-tn-1;tm=t=.則溫升可以表示為

    Δθ(t)=PoK-Kδt(20)

    可以表示成 積分形式為

    Δθ(t)=PoK-Kdτ(21)

    在某一時刻 t 溫升表達(dá)式為

    Δθ(t)=PoK- K(22)

    將溫升表達(dá)式規(guī)范化處理,得 =(23)式中:tf=,為電流 i=0 的時刻;ΔθM 為最大溫升(t=tf/2 時).則由式(22)得 Δθ=PoK=IoVBRK(24)

    由上面的分析過程 可以看出,在功率 MOSFET 發(fā)生雪崩擊穿時,器件溫度與初始電流,以及器件本身的 性能有關(guān).在雪崩擊穿后如果沒有適當(dāng)?shù)木彌_,抑制措施,隨著電流的增大,器件 發(fā)散內(nèi)部能量的能力越來越差,溫度上升很快,很可能將器件燒毀.在現(xiàn)代功率半 導(dǎo)體技術(shù)中,MOSFET 設(shè)計,制造的一個很重要方面就是優(yōu)化單元結(jié)構(gòu),促進(jìn)雪崩擊 穿時的能量耗散能力

• 雪崩擊穿時能量與溫度的變化