功率雪崩擊穿問(wèn)題剖析2008-10-2910:08:00【文章字體：大推薦收藏復(fù)印摘要：剖析了功率雪崩擊穿的緣由，以及故障時(shí)能量耗散與元件溫升的關(guān)系。和傳統(tǒng)的雙極性晶體管相比，反向偏置時(shí)雪崩擊穿過(guò)程不存在“熱點(diǎn)”的作用，而電氣量變化卻極其復(fù)雜。寄生元件在的雪崩擊穿中起著決定性的作用，寄生晶體管的激活導(dǎo)通是其雪崩擊穿的主要誘因。在發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，元件內(nèi)部能量的耗散會(huì)使元件氣溫大幅下降。關(guān)鍵詞：雙極性晶體管；功率；雪崩擊穿；寄生晶體管；能量耗散序言功率在電力電子設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛，因其故障而導(dǎo)致的電子設(shè)備受損也比較常見(jiàn)。剖析研究功率故障的緣由、后果，對(duì)于的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重要意義。在正向偏置工作時(shí)，因?yàn)楣β适嵌鄶?shù)自旋導(dǎo)電，一般被看成是不存在二次擊穿的元件。但事實(shí)上，當(dāng)功率反向偏置時(shí)，受電氣量變化（如漏源極電流、電流變化）的作用，功率內(nèi)部自旋容易發(fā)生雪崩式倍增，因此發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。與雙極性晶體管的二次擊穿不同，的雪崩擊穿常在高壓、大電壓時(shí)發(fā)生，不存在局部熱點(diǎn)的作用；其安全工作范圍也不受脈沖長(zhǎng)度的影響。
目前，功率元件的故障研究早已從單純的化學(xué)結(jié)構(gòu)剖析過(guò)渡到了元件建模理論仿真模擬層面。為此，本文將從理論上推論故障時(shí)漏極電壓的構(gòu)成，并從微觀電子角度對(duì)雪崩擊穿現(xiàn)象作詳盡剖析。同時(shí)，還將對(duì)故障時(shí)元件的能量、溫度變化關(guān)系作一定的剖析。功率雪崩擊穿理論剖析當(dāng)漏極存在大電壓Id，高電流Vd時(shí)，元件內(nèi)電離作用激化，出現(xiàn)大量的空穴電壓，經(jīng)Rb流入源極，造成寄生二極管柵極電勢(shì)Vb下降，出現(xiàn)所謂的“快回(Snap-back)”現(xiàn)象，即在Vb下降到一定程度時(shí)，寄生二極管V2導(dǎo)通，基極（即漏極）電流快速返回達(dá)到晶體管集電極開(kāi)路時(shí)的擊穿電流（增益很高的晶體管中該值相對(duì)較低），因而發(fā)生雪崩擊穿，(大量的研究和試驗(yàn)表明，Ic,SB很小。另外，因?yàn)榧纳O管的增益較大，故在雪崩擊穿時(shí)，二極管柵極電子、空穴重新結(jié)合所產(chǎn)生的電壓，以及從二極管基極到發(fā)射極空穴聯(lián)通所產(chǎn)生的電壓，只占了漏極電壓的一小部份；所有的柵極電壓Ib流過(guò)Rb；當(dāng)Ib使集電極電位下降到一定程度時(shí)，寄生晶體管步入導(dǎo)通狀態(tài)，漏源極電流迅速增長(zhǎng)，發(fā)生雪崩擊穿故障。功率雪崩擊穿的微觀剖析雙極性元件在發(fā)生二次擊穿時(shí)，基極電流會(huì)在故障頓時(shí)很短時(shí)間內(nèi)（可能大于1ns）衰減幾百伏。
這些電流銳減主要是由雪崩式注入造成的，主要緣由在于：二次擊穿時(shí)，元件內(nèi)部電場(chǎng)很大，電壓密度也比較大，兩種誘因同時(shí)存在，一起影響正常時(shí)的用盡區(qū)固定電荷，使自旋發(fā)生雪崩式倍增。對(duì)于不同的元件，發(fā)生雪崩式注入的情況是不同的。對(duì)于雙極性晶體管，不僅電場(chǎng)撓度的原因外，正向偏置時(shí)元件的熱不穩(wěn)定性，也有可能使其電壓密度達(dá)到雪崩式注入值。而對(duì)于，因?yàn)槭嵌鄶?shù)自旋元件，一般覺(jué)得其不會(huì)發(fā)生正向偏置二次擊穿，而在反向偏置時(shí)，只有電氣方面的誘因能使其電壓密度達(dá)到雪崩注入值，而與熱撓度無(wú)關(guān)。以下對(duì)功率的雪崩擊穿作進(jìn)一步的剖析。在內(nèi)部各層間存在寄生晶閘管、晶體管（二極管）元件。從微觀角度而言，這種寄生元件都是元件內(nèi)部PN結(jié)間產(chǎn)生的等效元件，它們中的空穴、電子在高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中受各類(lèi)誘因的影響，會(huì)造成的各類(lèi)不同的表現(xiàn)。導(dǎo)通時(shí)，正向電流小于門(mén)檻電流，電子由源極經(jīng)體表反轉(zhuǎn)層產(chǎn)生的溝道步入漏極，然后直接步入漏極節(jié)點(diǎn)；漏極寄生晶閘管的反向漏電壓會(huì)在飽和區(qū)形成一個(gè)小的電壓份量。而在穩(wěn)態(tài)時(shí)，寄生晶閘管、晶體管的影響不大。關(guān)斷時(shí)，為使體表反轉(zhuǎn)層關(guān)斷，應(yīng)該除去基極電流或加反向電流。
這時(shí)，溝道電壓（漏極電壓）開(kāi)始降低，感性負(fù)載使漏極電流下降以維持漏極電壓恒定。漏極電流下降，其電壓由溝道電壓和位移電壓（漏極體晶閘管用盡區(qū)生成的，且與dVDS/dt成比列）組成。漏極電流下降的百分比與集電極放電以及漏極用盡區(qū)充電的百分比有關(guān)；而前者是由漏－源極電容、漏極電壓決定的。在忽視其它緣由時(shí)，漏極電壓越大電流會(huì)下降得越快。假如沒(méi)有外部鉗位電路雪崩擊穿，漏極電流將持續(xù)下降，則漏極體晶閘管因?yàn)檠┍辣对鲂纬傻铮饺氤掷m(xù)導(dǎo)通模式（）。此時(shí)，全部的漏極電壓（此時(shí)即雪崩電壓）流過(guò)體晶閘管，而溝道電壓為零。由上述剖析可以看出，可能導(dǎo)致雪崩擊穿的三種電壓為漏電壓、位移電壓（即dVDS/dt電壓）、雪崩電壓雪崩擊穿，兩者理論上就會(huì)激活寄生晶體管導(dǎo)通。寄生晶體管導(dǎo)通使由高壓小電壓迅速過(guò)渡到低壓大電壓狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生雪崩擊穿。雪崩擊穿時(shí)能量與氣溫的變化在開(kāi)關(guān)管雪崩擊穿過(guò)程中，能量集中在功率元件各耗散層和溝道中，在寄生二極管激活導(dǎo)通發(fā)生二次擊穿時(shí)，伴隨隨之的發(fā)熱現(xiàn)象，這是能量釋放的表現(xiàn)。以下對(duì)雪崩擊穿時(shí)能量耗散與溫升的關(guān)系進(jìn)行剖析。雪崩擊穿時(shí)的耗散能量與溫升的關(guān)系為ΔθM（12）雪崩擊穿開(kāi)始時(shí)，電壓呈線性下降，下降率為di/dt=VBR/L（13）式中：VBR為雪崩擊穿電流(假定為恒定)；L為漏極電路電感。
若此時(shí)未發(fā)生故障，則在關(guān)斷時(shí)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)斷前的漏極電壓。隨著能量的釋放，元件氣溫發(fā)生變化，其瞬時(shí)釋放能量值P(t)=i(t)v=i(t)VBR（15）式中：i(t)=Io－t（16）到任意時(shí)刻t所耗散的能E=Pdt=L(Io2－i2)（17）在一定時(shí)間t后，一定的耗散功率下，溫升Δθ=PoK（18）式中：K=，其中ρ為密度；k為濁度率；c為潛熱量。實(shí)際上耗散功率不是恒定的，用疊加的方式表示溫升為Δθ=PoK－δPnK（19）式中：Pn=δinVBR=VBRδt；Po=IoVBR；δt=tn－tn－1；tm=t=。則溫升可以表示Δθ(t)=PoK－Kδt（20）可以表示成積分方式為Δθ(t)=PoK－Kdτ(21)在某一時(shí)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=，為電壓i=0的時(shí)刻；ΔθM為最大溫升(t=tf/2時(shí))。則由式(22)Δθ=PoK=(24)由前面的剖析過(guò)程可以看出，在功率發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，元件氣溫與初始電壓，以及元件本身的性能有關(guān)。
在雪崩擊穿后若果沒(méi)有適當(dāng)?shù)木彌_、抑制舉措，隨著電壓的減小，元件發(fā)散內(nèi)部能量的能力越來(lái)越差，體溫上升很快，很可能將元件被毀。在現(xiàn)代功率半導(dǎo)體技術(shù)中，設(shè)計(jì)、制造的一個(gè)很重要方面就是優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)，促使雪崩擊穿時(shí)的能量耗散能力。結(jié)語(yǔ)與通常雙極性晶體管的二次擊穿不同，的雪崩擊穿過(guò)程主要是因?yàn)榧纳w管被激活導(dǎo)致的。因?yàn)楣ぷ髟诟哳l狀態(tài)下，其熱撓度、電撓度環(huán)境都比較惡劣，通常覺(jué)得假如外部電氣條件達(dá)到寄生二極管的導(dǎo)通門(mén)檻值，則會(huì)造成故障。在實(shí)際應(yīng)用中，必須綜合考慮的工作條件以及范圍，合理地選擇相應(yīng)的元件以達(dá)到性能與成本的最佳優(yōu)化。另一方面，在發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，功率元件內(nèi)部的耗散功率會(huì)造成元件的發(fā)熱，可能造成元件被毀。在新的功率元件中，能量耗散能力、抑制溫升能力的早已成為一個(gè)很重要的指標(biāo)。