電子和空穴穿越空間電荷區時，與空間電荷去內的電子發生碰撞產生電子-空穴對，在pn 結內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，空間電荷區內電場增強，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空間電荷區內的中性原子相遇發生碰撞電離，產生新的電子-空穴對。這些新產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，使空間電荷區內的載流子數量劇增，就像雪崩一樣，使反向電流急劇增大，產生擊穿。所以把這種擊穿稱為雪崩擊穿。

    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,正向電壓大于門檻 電壓,電子由源極經體表反轉層形成的溝道進入漏極,之后直接進入漏極節點;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 極電壓將持續升高,則漏極體二極管由于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溫升的關系進 行分析.雪崩擊穿時的耗散能量與溫升的關系為 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 為恒定);L 為漏極電路電感.若此時 MOSFET 未發生故障,則在關斷時刻之前,其 內部耗散的能量為

    E=LIo2(14)

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

    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 為電導率;c 為熱容量.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

    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 溫升表達式為

    Δθ(t)=PoK- K(22)

    將溫升表達式規范化處理,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.在雪崩擊穿后如果沒有適當的緩沖,抑制措施,隨著電流的增大,器件 發散內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 導體技術中,MOSFET 設計,制造的一個很重要方面就是優化單元結構,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