功率MOSFET的雪崩強(qiáng)度限值是衡量器件針對(duì)于感性負(fù)載在開關(guān)動(dòng)作應(yīng)用中的重要參數(shù)。 清楚地理解雪崩強(qiáng)度的定義，失效的現(xiàn)象及評(píng)估的方法是功率MOSFET電路設(shè)計(jì)必備的能力。 本文將以下面三個(gè)方面進(jìn)行探討：

雪崩能量的定義及相關(guān)參數(shù)

雪崩強(qiáng)度限值超限的失效

雪崩強(qiáng)度限值的計(jì)算與評(píng)估

1.雪崩能量的定義和相關(guān)參數(shù)

雪崩擊穿的定義：

材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)隨著增強(qiáng)。 這樣通過(guò)空間電荷區(qū)的電子和空穴，就會(huì)在電場(chǎng)作用下，使獲得的能量增大。 在晶體中運(yùn)行的電子和空穴將不斷的與晶體原子發(fā)生碰撞，通過(guò)這樣的碰撞可使束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子碰撞出來(lái)，產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)。 新產(chǎn)生的載流子在電場(chǎng)作用下撞出其他價(jià)電子，又產(chǎn)生新的自由電子和空穴對(duì)。 如此連鎖反應(yīng)，使得阻擋層中的載流子的數(shù)量雪崩式地增加，流過(guò)PN結(jié)的電流就急劇增大擊穿PN結(jié)，這種碰撞電離導(dǎo)致?lián)舸┓Q為雪崩擊穿，也稱為電子雪崩現(xiàn)象。

MOSFET的雪崩現(xiàn)象：

在感性負(fù)載的電路應(yīng)用中，MOSFET導(dǎo)通時(shí)對(duì)感性負(fù)載充電，電感積聚能量； 當(dāng)MOSFET關(guān)閉時(shí)，感性負(fù)載中積聚的能量釋放，引起MOSFET漏極和源極間電壓急速上升，并有電流流過(guò)，直至能量釋放結(jié)束，電流和電壓降至為零，這個(gè)過(guò)程就是MOSFET中雪崩的現(xiàn)象，如下面的圖1，圖2，圖3。

在圖2中，MOSFET關(guān)閉時(shí)所承受的能量沖擊被鉗在了擊穿電壓VBR上，雖然datasheet中沒(méi)有給出具體的VBR值，但我們可以根據(jù)已知的V(BR)DSS值估算出。 VBR≈3*V(BR)DSS。

在圖4中，雪崩電流最大值IDS(AL)S和電流衰減時(shí)間tAL，及圖5中的雪崩功率PDS(AL)M都和感性負(fù)載的感值，MOSFET關(guān)閉前電流的最大值有關(guān)。

2.雪崩強(qiáng)度限值超限的失效

超過(guò)了雪崩強(qiáng)度限值EDS(AL)S和IAS就有可能發(fā)生元件失效。

很多工程師都會(huì)有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)你將失效的MOSFET發(fā)給供應(yīng)商進(jìn)行分析的時(shí)候，供應(yīng)商報(bào)告的結(jié)論往往都是EOS（電氣過(guò)應(yīng)力）。 但我們希望得到的信息是元件哪里出現(xiàn)了損傷？ 有可能造成這種損傷的情況有哪些？

MOSFET的雪崩失效是一個(gè)短時(shí)間內(nèi)的過(guò)熱失效，所以通常在晶圓的某個(gè)位置會(huì)出現(xiàn)圓點(diǎn)的實(shí)效點(diǎn)。 如下圖所示。

通常持續(xù)ms級(jí)別的雪崩失效，失效圓點(diǎn)往往出現(xiàn)在連接引線和晶圓結(jié)合的位置，因?yàn)檫@里的電流密度較高。

持續(xù)us級(jí)別的雪崩失效，失效圓點(diǎn)往往可能發(fā)生在晶圓的任意地方。

3.雪崩強(qiáng)度限值的計(jì)算與評(píng)估

單次雪崩時(shí)間的失效機(jī)理就是結(jié)合點(diǎn)的溫度超出了最大溫度限值。 所以要通過(guò)計(jì)算或是電路仿真的方法來(lái)確保MOSFET的使用在雪崩限值以下。

計(jì)算的方法：

計(jì)算時(shí)需要注意的兩點(diǎn)：

雪崩事件是發(fā)生在MOSFET關(guān)閉之后的，那么關(guān)閉之前MOSFET的結(jié)合點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到了一定的溫度，那么Tjmax=Tj_ON+delta_Tj_(AL)。

delta_Tj_(AL)=PDS(AL)MtALZth_tAL，這里的Zth_tAL需要從脈沖熱阻曲線中獲得。

仿真的方法：

仿真的方法相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要搭建出原理圖和MOSFET熱阻模型，便可以輕松快速地獲得雪崩事件中MOSFET結(jié)合點(diǎn)的溫度。

雪崩強(qiáng)度是功率MOSFET重要的性能參數(shù)指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)者在電路設(shè)計(jì)中需要提前預(yù)防的要點(diǎn)。 希望本文能夠幫助大家縷清雪崩事件的前因后果，讓設(shè)計(jì)的電路魯棒性更強(qiáng)。