功率雪崩擊穿問題剖析2008-10-2910:08:00【文章字體：大推薦收藏復印摘要：剖析了功率雪崩擊穿的緣由，以及故障時能量耗散與元件溫升的關系。和傳統的雙極性晶體管相比，反向偏置時雪崩擊穿過程不存在“熱點”的作用，而電氣量變化卻極其復雜。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通是其雪崩擊穿的主要誘因。在發生雪崩擊穿時，元件內部能量的耗散會使元件氣溫大幅下降。關鍵詞：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備中應用非常廣泛，因其故障而導致的電子設備受損也比較常見。剖析研究功率故障的緣由、后果，對于的進一步推廣應用具有重要意義。在正向偏置工作時，因為功率是多數自旋導電，一般被看成是不存在二次擊穿的元件。但事實上，當功率反向偏置時，受電氣量變化（如漏源極電流、電流變化）的作用，功率內部自旋容易發生雪崩式倍增，因此發生雪崩擊穿現象。與雙極性晶體管的二次擊穿不同，的雪崩擊穿常在高壓、大電壓時發生，不存在局部熱點的作用；其安全工作范圍也不受脈沖長度的影響。
目前，功率元件的故障研究早已從單純的化學結構剖析過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漏極電壓的構成，并從微觀電子角度對雪崩擊穿現象作詳盡剖析。同時，還將對故障時元件的能量、溫度變化關系作一定的剖析。功率雪崩擊穿理論剖析當漏極存在大電壓Id，高電流Vd時，元件內電離作用激化，出現大量的空穴電壓，經Rb流入源極，造成寄生二極管柵極電勢Vb下降，出現所謂的“快回(Snap-back)”現象，即在Vb下降到一定程度時，寄生二極管V2導通，基極（即漏極）電流快速返回達到晶體管集電極開路時的擊穿電流（增益很高的晶體管中該值相對較低），因而發生雪崩擊穿，(大量的研究和試驗表明，Ic,SB很小。另外，因為寄生二極管的增益較大，故在雪崩擊穿時，二極管柵極電子、空穴重新結合所產生的電壓，以及從二極管基極到發射極空穴聯通所產生的電壓，只占了漏極電壓的一小部份；所有的柵極電壓Ib流過Rb；當Ib使集電極電位下降到一定程度時，寄生晶體管步入導通狀態，漏源極電流迅速增長，發生雪崩擊穿故障。功率雪崩擊穿的微觀剖析雙極性元件在發生二次擊穿時，基極電流會在故障頓時很短時間內（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，元件內部電場很大，電壓密度也比較大，兩種誘因同時存在，一起影響正常時的用盡區固定電荷，使自旋發生雪崩式倍增。對于不同的元件，發生雪崩式注入的情況是不同的。對于雙極性晶體管，不僅電場撓度的原因外，正向偏置時元件的熱不穩定性，也有可能使其電壓密度達到雪崩式注入值。而對于，因為是多數自旋元件，一般覺得其不會發生正向偏置二次擊穿，而在反向偏置時，只有電氣方面的誘因能使其電壓密度達到雪崩注入值，而與熱撓度無關。以下對功率的雪崩擊穿作進一步的剖析。在內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部PN結間產生的等效元件，它們中的空穴、電子在高速開關過程中受各類誘因的影響，會造成的各類不同的表現。導通時，正向電流小于門檻電流，電子由源極經體表反轉層產生的溝道步入漏極，然后直接步入漏極節點；漏極寄生晶閘管的反向漏電壓會在飽和區形成一個小的電壓份量。而在穩態時，寄生晶閘管、晶體管的影響不大。關斷時，為使體表反轉層關斷，應該除去基極電流或加反向電流。
這時，溝道電壓（漏極電壓）開始降低，感性負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充電的百分比有關；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，漏極電壓越大電流會下降得越快。假如沒有外部鉗位電路雪崩擊穿，漏極電流將持續下降，則漏極體晶閘管因為雪崩倍增形成氮化物，而步入持續導通模式（）。此時，全部的漏極電壓（此時即雪崩電壓）流過體晶閘管，而溝道電壓為零。由上述剖析可以看出，可能導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，兩者理論上就會激活寄生晶體管導通。寄生晶體管導通使由高壓小電壓迅速過渡到低壓大電壓狀態，進而發生雪崩擊穿。雪崩擊穿時能量與氣溫的變化在開關管雪崩擊穿過程中，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通發生二次擊穿時，伴隨隨之的發熱現象，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剖析。雪崩擊穿時的耗散能量與溫升的關系為ΔθM（12）雪崩擊穿開始時，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為關斷前的漏極電壓。隨著能量的釋放，元件氣溫發生變化，其瞬時釋放能量值P(t)=i(t)v=i(t)VBR（15）式中：i(t)=Io－t（16）到任意時刻t所耗散的能E=Pdt=L(Io2－i2)（17）在一定時間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=，為電壓i=0的時刻；ΔθM為最大溫升(t=tf/2時)。則由式(22)Δθ=PoK=(24)由前面的剖析過程可以看出，在功率發生雪崩擊穿時，元件氣溫與初始電壓，以及元件本身的性能有關。
在雪崩擊穿后若果沒有適當的緩沖、抑制舉措，隨著電壓的減小，元件發散內部能量的能力越來越差，體溫上升很快，很可能將元件被毀。在現代功率半導體技術中，設計、制造的一個很重要方面就是優化單元結構，促使雪崩擊穿時的能量耗散能力。結語與通常雙極性晶體管的二次擊穿不同，的雪崩擊穿過程主要是因為寄生晶體管被激活導致的。因為工作在高頻狀態下，其熱撓度、電撓度環境都比較惡劣，通常覺得假如外部電氣條件達到寄生二極管的導通門檻值，則會造成故障。在實際應用中，必須綜合考慮的工作條件以及范圍，合理地選擇相應的元件以達到性能與成本的最佳優化。另一方面，在發生雪崩擊穿時，功率元件內部的耗散功率會造成元件的發熱，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很重要的指標。