电子和空穴穿越空间电荷区时，与空间电荷去内的电子发生碰撞产生电子-空穴对，在pn 结内形成一股很大的反偏电流，这个过程就称为雪崩击穿。
目录
- 雪崩击穿的原理
- 雪崩击穿的理论分析
- 雪崩击穿的微观分析
- 雪崩击穿时能量与温度的变化
- 雪崩击穿的原理
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随着反向电压的提高，空间电荷区内电场增强，通过势垒区的载流子获得的能量也随之增加。当反向电压接近击穿电压UB时，这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离，产生新的电子-空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其它的中性原子使之电离，再产生更多的电子-空穴对。这种连锁反应继续下去，使空间电荷区内的载流子数量剧增，就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，产生击穿。所以把这种击穿称为雪崩击穿。
雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低、外加电压又较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较低的PN结，空间电荷区宽度较宽，发生碰撞电离的机会较多。
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- 雪崩击穿的理论分析
- 当过程中 受各种因素的影响,会导致 MOSFET 的各种不同的表现.导通时,正向电压大于门槛 电压,电子由源极经体表反转层形成的沟道进入漏极,之后直接进入漏极节点;漏 极寄生二极管的反向漏电流会在饱和区产生一个小的电流分量.而在稳态时,寄生 二极管,晶体管的影响不大.关断时,为使 MOSFET 体表反转层关断,应当去掉栅极 电压或加反向电压.这时,沟道电流(漏极电流)开始减少,感性负载使漏极电压 升高以维持漏极电流恒定.漏极电压升高,其电流由沟道电流和位移电流(漏极体 二极管耗尽区生成的,且与 dVDS/dt 成比例)组成.漏极电压升高的比率与基极放 电以及漏极耗尽区充电的比率有关;而后者是由漏-源极电容,漏极电流决定的. 在忽略其它原因时,漏极电流越大电压会升高得越快.如果没有外部钳位电路,漏 极电压将持续升高,则漏极体二极管由于雪崩倍增产生载流子,而进入持续导通模 式(Sustaining Mode).此时,全部的漏极电流(此时即雪崩电流)流过体二极管, 而沟道电流为零.由上述分析可以看出,可能引起雪崩击穿的三种电流为漏电流, 位移电流(即 dVDS/dt 电流),雪崩电流,三者理论上都会激活寄生晶体管导通. 寄生晶体管导通使 MOSFET 由高压小电流迅速过渡到低压大电流状态, 从而发生雪崩 击穿.
- 雪崩击穿的微观分析
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在开关管雪崩击穿过程中, 能量集中在功率 器件各耗散层和沟道中,在寄生三极管激活导通发生二次击穿时,MOSFET 会伴随急 剧的发热现象,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 行分析.雪崩击穿时的耗散能量与温升的关系为 电流呈线性增长,增长率为
ΔθM∝
雪崩击穿开始时, di/dt=VBR/L(13)式中:VBR 为雪崩击穿电压(假设 为恒定);L 为漏极电路电感.若此时 MOSFET 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 为关断前的漏极电流. 随着能量的释放,器件温度发生变化,其瞬时释放能量值为
P(t)=i(t)v=i(t)VBR
式中: i(t)=Io-t (16) 到任意时刻 t 所耗散的能量为 (17)在一定时间 t 后,一定的耗散功率下,温升为 方法表示温升为 E=Pdt=L(Io2-i2) Δθ=PoK(18)式中:K=,
其中 ρ 为密度;k 为电导率;c 为热容量.实际上耗散功率不是恒定的,用叠加的
Δθ=PoK-δPnK(19)
式中:Pn=δinVBR=VBRδt; Po=IoVBR; δt=tn-tn-1;tm=t=.则温升可以表示为
Δθ(t)=PoK-Kδt(20)
可以表示成 积分形式为
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=,为电流 i=0 的时刻;ΔθM 为最大温升(t=tf/2 时).则由式(22)得 Δθ=PoK=IoVBRK(24)
由上面的分析过程 可以看出,在功率 MOSFET 发生雪崩击穿时,器件温度与初始电流,以及器件本身的 性能有关.在雪崩击穿后如果没有适当的缓冲,抑制措施,随着电流的增大,器件 发散内部能量的能力越来越差,温度上升很快,很可能将器件烧毁.在现代功率半 导体技术中,MOSFET 设计,制造的一个很重要方面就是优化单元结构,促进雪崩击 穿时的能量耗散能力
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- 雪崩击穿时能量与温度的变化