【導讀】當向MOSFET施加高于絕對最大額定值BVDSS的電壓時,就會發(fā)生擊穿。當施加高于BVDSS的高電場時,自由電子被加速并帶有很大的能量。這會導致碰撞電離,從而產(chǎn)生電子-空穴對。這種電子-空穴對呈雪崩式增加的現(xiàn)象稱為“雪崩擊穿”。在這種雪崩擊穿期間,與 MOSFET內(nèi)部二極管電流呈反方向流動的電流稱為“雪崩電流IAS”,參見下圖(1)。
MOSFET的失效機理
本文的關(guān)鍵要點
? 當向MOSFET施加高于絕對最大額定值BVDSS的電壓時,會造成擊穿并引發(fā)雪崩擊穿。
? 發(fā)生雪崩擊穿時,會流過大電流,存在MOSFET失效的危險。
? MOSFET雪崩失效包括短路造成的失效和熱量造成的失效。
什么是雪崩擊穿
當向MOSFET施加高于絕對最大額定值BVDSS的電壓時,就會發(fā)生擊穿。當施加高于BVDSS的高電場時,自由電子被加速并帶有很大的能量。這會導致碰撞電離,從而產(chǎn)生電子-空穴對。這種電子-空穴對呈雪崩式增加的現(xiàn)象稱為“雪崩擊穿”。在這種雪崩擊穿期間,與 MOSFET內(nèi)部二極管電流呈反方向流動的電流稱為“雪崩電流IAS”,參見下圖(1)。
MOSFET的雪崩失效電流路徑示意圖(紅色部分)
雪崩失效:短路造成的失效
如上圖所示,IAS會流經(jīng)MOSFET的基極寄生電阻RB。此時,寄生雙極型晶體管的基極和發(fā)射極之間會產(chǎn)生電位差VBE,如果該電位差較大,則寄生雙極晶體管可能會變?yōu)閷顟B(tài)。一旦這個寄生雙極晶體管導通,就會流過大電流,MOSFET可能會因短路而失效。
雪崩失效:熱量造成的失效
在雪崩擊穿期間,不僅會發(fā)生由雪崩電流導致寄生雙極晶體管誤導通而造成的短路和損壞,還會發(fā)生由傳導損耗帶來的熱量造成的損壞。如前所述,當MOSFET處于擊穿狀態(tài)時會流過雪崩電流。在這種狀態(tài)下,BVDSS被施加到MOSFET并且流過雪崩電流,它們的乘積成為功率損耗。這種功率損耗稱為“雪崩能量EAS”。雪崩測試電路及其測試結(jié)果的波形如下圖所示。此外,雪崩能量可以通過公式(1)來表示。
雪崩測試的電路簡圖
雪崩測試中MOSFET的電壓和電流波形
雪崩能量公式
一般情況下,有抗雪崩保證的MOSFET,在其規(guī)格書中會規(guī)定IAS和EAS的絕對最大額定值,因此可以通過規(guī)格書來了解詳細的值。在有雪崩電流流動的工作環(huán)境中,需要把握IAS和EAS的實際值,并在絕對最大額定值范圍內(nèi)使用。
引發(fā)雪崩擊穿的例子包括反激式轉(zhuǎn)換器中的MOSFET關(guān)斷時的反激電壓和寄生電感引起的浪涌電壓等。針對反激電壓引起的雪崩擊穿,對策包括在設(shè)計電路時采用降低反激電壓的設(shè)計或使用具有更高耐壓性能的MOSFET。而針對寄生電感引起的雪崩擊穿,改用引腳更短的封裝的MOSFET或改善電路板布局以降低寄生電感等都是比較有效的措施。
來源:羅姆半導體
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