功率雪崩击穿问题剖析2008-10-2910:08:00【文章字体：大推荐收藏复印摘要：剖析了功率雪崩击穿的缘由，以及故障时能量耗散与元件温升的关系。和传统的双极性晶体管相比，反向偏置时雪崩击穿过程不存在“热点”的作用，而电气量变化却极其复杂。寄生元件在的雪崩击穿中起着决定性的作用，寄生晶体管的激活导通是其雪崩击穿的主要诱因。在发生雪崩击穿时，元件内部能量的耗散会使元件气温大幅下降。关键词：双极性晶体管；功率；雪崩击穿；寄生晶体管；能量耗散序言功率在电力电子设备中应用非常广泛，因其故障而导致的电子设备受损也比较常见。剖析研究功率故障的缘由、后果，对于的进一步推广应用具有重要意义。在正向偏置工作时，因为功率是多数自旋导电，一般被看成是不存在二次击穿的元件。但事实上，当功率反向偏置时，受电气量变化（如漏源极电流、电流变化）的作用，功率内部自旋容易发生雪崩式倍增，因此发生雪崩击穿现象。与双极性晶体管的二次击穿不同，的雪崩击穿常在高压、大电压时发生，不存在局部热点的作用；其安全工作范围也不受脉冲长度的影响。
目前，功率元件的故障研究早已从单纯的化学结构剖析过渡到了元件建模理论仿真模拟层面。为此，本文将从理论上推论故障时漏极电压的构成，并从微观电子角度对雪崩击穿现象作详尽剖析。同时，还将对故障时元件的能量、温度变化关系作一定的剖析。功率雪崩击穿理论剖析当漏极存在大电压Id，高电流Vd时，元件内电离作用激化，出现大量的空穴电压，经Rb流入源极，造成寄生二极管栅极电势Vb下降，出现所谓的“快回(Snap-back)”现象，即在Vb下降到一定程度时，寄生二极管V2导通，基极（即漏极）电流快速返回达到晶体管集电极开路时的击穿电流（增益很高的晶体管中该值相对较低），因而发生雪崩击穿，(大量的研究和试验表明，Ic,SB很小。另外，因为寄生二极管的增益较大，故在雪崩击穿时，二极管栅极电子、空穴重新结合所产生的电压，以及从二极管基极到发射极空穴联通所产生的电压，只占了漏极电压的一小部份；所有的栅极电压Ib流过Rb；当Ib使集电极电位下降到一定程度时，寄生晶体管步入导通状态，漏源极电流迅速增长，发生雪崩击穿故障。功率雪崩击穿的微观剖析双极性元件在发生二次击穿时，基极电流会在故障顿时很短时间内（可能大于1ns）衰减几百伏。
这些电流锐减主要是由雪崩式注入造成的，主要缘由在于：二次击穿时，元件内部电场很大，电压密度也比较大，两种诱因同时存在，一起影响正常时的用尽区固定电荷，使自旋发生雪崩式倍增。对于不同的元件，发生雪崩式注入的情况是不同的。对于双极性晶体管，不仅电场挠度的原因外，正向偏置时元件的热不稳定性，也有可能使其电压密度达到雪崩式注入值。而对于，因为是多数自旋元件，一般觉得其不会发生正向偏置二次击穿，而在反向偏置时，只有电气方面的诱因能使其电压密度达到雪崩注入值，而与热挠度无关。以下对功率的雪崩击穿作进一步的剖析。在内部各层间存在寄生晶闸管、晶体管（二极管）元件。从微观角度而言，这种寄生元件都是元件内部PN结间产生的等效元件，它们中的空穴、电子在高速开关过程中受各类诱因的影响，会造成的各类不同的表现。导通时，正向电流小于门槛电流，电子由源极经体表反转层产生的沟道步入漏极，然后直接步入漏极节点；漏极寄生晶闸管的反向漏电压会在饱和区形成一个小的电压份量。而在稳态时，寄生晶闸管、晶体管的影响不大。关断时，为使体表反转层关断，应该除去基极电流或加反向电流。
这时，沟道电压（漏极电压）开始降低，感性负载使漏极电流下降以维持漏极电压恒定。漏极电流下降，其电压由沟道电压和位移电压（漏极体晶闸管用尽区生成的，且与dVDS/dt成比列）组成。漏极电流下降的百分比与集电极放电以及漏极用尽区充电的百分比有关；而前者是由漏－源极电容、漏极电压决定的。在忽视其它缘由时，漏极电压越大电流会下降得越快。假如没有外部钳位电路雪崩击穿，漏极电流将持续下降，则漏极体晶闸管因为雪崩倍增形成氮化物，而步入持续导通模式（）。此时，全部的漏极电压（此时即雪崩电压）流过体晶闸管，而沟道电压为零。由上述剖析可以看出，可能导致雪崩击穿的三种电压为漏电压、位移电压（即dVDS/dt电压）、雪崩电压雪崩击穿，两者理论上就会激活寄生晶体管导通。寄生晶体管导通使由高压小电压迅速过渡到低压大电压状态，进而发生雪崩击穿。雪崩击穿时能量与气温的变化在开关管雪崩击穿过程中，能量集中在功率元件各耗散层和沟道中，在寄生二极管激活导通发生二次击穿时，伴随随之的发热现象，这是能量释放的表现。以下对雪崩击穿时能量耗散与温升的关系进行剖析。雪崩击穿时的耗散能量与温升的关系为ΔθM（12）雪崩击穿开始时，电压呈线性下降，下降率为di/dt=VBR/L（13）式中：VBR为雪崩击穿电流(假定为恒定)；L为漏极电路电感。
若此时未发生故障，则在关断时刻之前，其内部耗散的能量为E=LIo2（14）式中：E为耗散能量；Io为关断前的漏极电压。随着能量的释放，元件气温发生变化，其瞬时释放能量值P(t)=i(t)v=i(t)VBR（15）式中：i(t)=Io－t（16）到任意时刻t所耗散的能E=Pdt=L(Io2－i2)（17）在一定时间t后，一定的耗散功率下，温升Δθ=PoK（18）式中：K=，其中ρ为密度；k为浊度率；c为潜热量。实际上耗散功率不是恒定的，用叠加的方式表示温升为Δθ=PoK－δPnK（19）式中：Pn=δinVBR=VBRδt；Po=IoVBR；δt=tn－tn－1；tm=t=。则温升可以表示Δθ(t)=PoK－Kδt（20）可以表示成积分方式为Δθ(t)=PoK－Kdτ(21)在某一时刻t温升表达式为Δθ(t)=PoK－K(22)将温升表达式规范化处理，得=(23)式中：tf=，为电压i=0的时刻；ΔθM为最大温升(t=tf/2时)。则由式(22)Δθ=PoK=(24)由前面的剖析过程可以看出，在功率发生雪崩击穿时，元件气温与初始电压，以及元件本身的性能有关。
在雪崩击穿后若果没有适当的缓冲、抑制举措，随着电压的减小，元件发散内部能量的能力越来越差，体温上升很快，很可能将元件被毁。在现代功率半导体技术中，设计、制造的一个很重要方面就是优化单元结构，促使雪崩击穿时的能量耗散能力。结语与通常双极性晶体管的二次击穿不同，的雪崩击穿过程主要是因为寄生晶体管被激活导致的。因为工作在高频状态下，其热挠度、电挠度环境都比较恶劣，通常觉得假如外部电气条件达到寄生二极管的导通门槛值，则会造成故障。在实际应用中，必须综合考虑的工作条件以及范围，合理地选择相应的元件以达到性能与成本的最佳优化。另一方面，在发生雪崩击穿时，功率元件内部的耗散功率会造成元件的发热，可能造成元件被毁。在新的功率元件中，能量耗散能力、抑制温升能力的早已成为一个很重要的指标。