電子和空穴穿越空間電荷區時，與(yu) 空間電荷去內(nei) 的電子發生碰撞產(chan) 生電子-空穴對，在pn 結內(nei) 形成一股很大的反偏電流，這個(ge) 過程就稱為(wei) 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，空間電荷區內(nei) 電場增強，通過勢壘區的載流子獲得的能量也隨之增加。當反向電壓接近擊穿電壓UB時，這些有較高能量的載流子與(yu) 空間電荷區內(nei) 的中性原子相遇發生碰撞電離，產(chan) 生新的電子-空穴對。這些新產(chan) 生的電子和空穴又會(hui) 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(chan) 生更多的電子-空穴對。這種連鎖反應繼續下去，使空間電荷區內(nei) 的載流子數量劇增，就像雪崩一樣，使反向電流急劇增大，產(chan) 生擊穿。所以把這種擊穿稱為(wei) 雪崩擊穿。

    雪崩擊穿一般發生在摻雜濃度較低、外加電壓又較高的PN結中。這是因為(wei) 摻雜濃度較低的PN結，空間電荷區寬度較寬，發生碰撞電離的機會(hui) 較多。

• 雪崩擊穿的理論分析
  • 當過程中 受各種因素的影響,會導致 MOSFET 的各種不同的表現.導通時,正向電壓大於門檻 電壓,電子由源極經體表反轉層形成的溝道進入漏極,之後直接進入漏極節點;漏 極寄生二極管的反向漏電流會在飽和區產生一個小的電流分量.而在穩態時,寄生 二極管,晶體管的影響不大.關斷時,為使 MOSFET 體表反轉層關斷,應當去掉柵極 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 電以及漏極耗盡區充電的比率有關;而後者是由漏-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 極電壓將持續升高,則漏極體二極管由於雪崩倍增產生載流子,而進入持續導通模 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通. 寄生晶體管導通使 MOSFET 由高壓小電流迅速過渡到低壓大電流狀態, 從而發生雪崩 擊穿.
• 雪崩擊穿的微觀分析

  • 在開關(guan) 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通發生二次擊穿時,MOSFET 會(hui) 伴隨急 劇的發熱現象,這是能量釋放的表現.以下對雪崩擊穿時能量耗散與(yu) 溫升的關(guan) 係進 行分析.雪崩擊穿時的耗散能量與(yu) 溫升的關(guan) 係為(wei) 電流呈線性增長,增長率為(wei)

    ΔθM∝

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

    E=LIo2(14)

    式中:E 為(wei) 耗散能量;Io 為(wei) 關(guan) 斷前的漏極電流. 隨著能量的釋放,器件溫度發生變化,其瞬時釋放能量值為(wei)

    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(wei) (17)在一定時間 t 後,一定的耗散功率下,溫升為(wei) 方法表示溫升為(wei) E=Pdt=L(Io2-i2) Δθ=PoK(18)式中:K=,

    其中 ρ 為(wei) 密度;k 為(wei) 電導率;c 為(wei) 熱容量.實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(wei)

    Δθ(t)=PoK-Kδt(20)

    可以表示成 積分形式為(wei)

    Δθ(t)=PoK-Kdτ(21)

    在某一時刻 t 溫升表達式為(wei)

    Δθ(t)=PoK- K(22)

    將溫升表達式規範化處理,得 =(23)式中:tf=,為(wei) 電流 i=0 的時刻;ΔθM 為(wei) 最大溫升(t=tf/2 時).則由式(22)得 Δθ=PoK=IoVBRK(24)

    由上麵的分析過程 可以看出,在功率 MOSFET 發生雪崩擊穿時,器件溫度與(yu) 初始電流,以及器件本身的 性能有關(guan) .在雪崩擊穿後如果沒有適當的緩衝(chong) ,抑製措施,隨著電流的增大,器件 發散內(nei) 部能量的能力越來越差,溫度上升很快,很可能將器件燒毀.在現代功率半 導體(ti) 技術中,MOSFET 設計,製造的一個(ge) 很重要方麵就是優(you) 化單元結構,促進雪崩擊 穿時的能量耗散能力

• 雪崩擊穿時能量與溫度的變化