功率MOSFET雪崩擊穿問(wèn)題分析
摘要:分析了功率MOSFET雪崩擊穿的原因,以及MOSFET故障時(shí)能量耗散與器件溫升的關(guān)系。和傳統(tǒng)的雙極性晶體管相比,反向偏置時(shí)MOSFET雪崩擊穿過(guò)程不存在“熱點(diǎn)”的作用,而電氣量變化卻十分復(fù)雜。寄生器件在MOSFET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原因。在MOSFET發(fā)生雪崩擊穿時(shí),器件內(nèi)部能量的耗散會(huì)使器件溫度急劇升高。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/179394.htm關(guān)鍵詞:雙極性晶體管;功率MOSFET;雪崩擊穿;寄生晶體管;能量耗散
1 引言
功率MOSFET在電力電子設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛,因其故障而引起的電子設(shè)備損壞也比較常見。分析研究功率MOSFET故障的原因、后果,對(duì)于MOSFET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),由于功率MOSFET是多數(shù)載流子導(dǎo)電,通常被看成是不存在二次擊穿的器件。但事實(shí)上,當(dāng)功率MOSFET反向偏置時(shí),受電氣量變化(如漏源極電壓、電流變化)的作用,功率MOSFET內(nèi)部載流子容易發(fā)生雪崩式倍增,因而發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。與雙極性晶體管的二次擊穿不同,MOSFET的雪崩擊穿常在高壓、大電流時(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寬度的影響。
目前,功率器件的故障研究已經(jīng)從單純的物理結(jié)構(gòu)分析過(guò)渡到了器件建模理論仿真模擬層面。因此,本文將從理論上推導(dǎo)MOSFET故障時(shí)漏極電流的構(gòu)成,并從微觀電子角度對(duì)MOSFET雪崩擊穿現(xiàn)象作詳細(xì)分析。同時(shí),還將對(duì)故障時(shí)器件的能量、溫度變化關(guān)系作一定的分析。
2 功率MOSFET雪崩擊穿理論分析
圖1(a)為MOSFET的體內(nèi)等效電路,其中含有一個(gè)寄生的雙極性晶體管V2,它的集電極、發(fā)射極同時(shí)也是MOSFET的漏極和源極。當(dāng)MOSFET漏極存在大電流Id,高電壓Vd時(shí),器件內(nèi)電離作用加劇,出現(xiàn)大量的空穴電流,經(jīng)Rb流入源極,導(dǎo)致寄生三極管基極電勢(shì)Vb升高,出現(xiàn)所謂的“快回(Snap-back)”現(xiàn)象,即在Vb升高到一定程度時(shí),寄生三極管V2導(dǎo)通,集電極(即漏極)電壓快速返回達(dá)到晶體管基極開路時(shí)的擊穿電壓(增益很高的晶體管中該值相對(duì)較低),從而發(fā)生雪崩擊穿,如圖2所示。
(a) 體內(nèi)等效電路
(b) 外部分析電路
圖1 MOSFET等效電路
圖2 雪崩擊穿時(shí)I-V曲線
下面利用圖1的等效電路來(lái)分析MOSFET的雪崩擊穿。
假設(shè)三極管Vb≈0.6V,Vb=IbRb,則可得MOSFET源極電流
Is=Ido+γVb=Ido+γRbIb(1)
式中:Ido為漏極電壓較低時(shí)的飽和漏極電流;
γ為大信號(hào)體偏置系數(shù)(Large Signal Body-bias Coefficient),定義為
γ=ΔId/ΔVb(2)
當(dāng)Vb很高時(shí),漏極的強(qiáng)電場(chǎng)引起電子溝道電流的雪崩式倍增,產(chǎn)生的空穴向基極流動(dòng)。
如果增益為M,則基極電流為
Ib=Id-Is=MIs-Is=(M-1)(Ido+γRbIb)(3)
可得
Ib=(4a)
Is=(4b)
Id=(4c)
當(dāng)發(fā)生擊穿時(shí),有
IbRb≈0.6V(5)
由式(4)及式(5)可得擊穿時(shí)的關(guān)系式(下標(biāo)SB為雪崩擊穿標(biāo)志)為
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評(píng)論