功率MOSFET应用指南-5-什么是雪崩强度？

雪崩击穿的定义：

材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。这样通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场作用下，使获得的能量增大。在晶体中运行的电子和空穴将不断的与晶体原子发生碰撞，通过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子-空穴对。新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子，又产生新的自由电子和空穴对。如此连锁反应，使得阻挡层中的载流子的数量雪崩式地增加，流过PN结的电流就急剧增大击穿PN结，这种碰撞电离导致击穿称为雪崩击穿，也称为电子雪崩现象。

MOSFET的雪崩现象：

在感性负载的电路应用中，MOSFET导通时对感性负载充电，电感积聚能量；当MOSFET关闭时，感性负载中积聚的能量释放，引起MOSFET漏极和源极间电压急速上升，并有电流流过，直至能量释放结束，电流和电压降至为零，这个过程就是MOSFET中雪崩的现象，如下面的图1，图2，图3。

在图2中，MOSFET关闭时所承受的能量冲击被钳在了击穿电压VBR上，虽然datasheet中没有给出具体的VBR值，但我们可以根据已知的V(BR)DSS值估算出。VBR≈3*V(BR)DSS。

在图4中，雪崩电流最大值IDS(AL)S和电流衰减时间tAL，及图5中的雪崩功率PDS(AL)M都和感性负载的感值，MOSFET关闭前电流的最大值有关。

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2. 雪崩强度限值超限的失效

超过了雪崩强度限值EDS(AL)S和IAS就有可能发生元件失效。

很多工程师都会有这样的经历，当你将失效的MOSFET发给供应商进行分析的时候，供应商报告的结论往往都是EOS（电气过应力）。但我们希望得到的信息是元件哪里出现了损伤？有可能造成这种损伤的情况有哪些？

MOSFET的雪崩失效是一个短时间内的过热失效，所以通常在晶圆的某个位置会出现圆点的实效点。如下图所示。

通常持续ms级别的雪崩失效，失效圆点往往出现在连接引线和晶圆结合的位置，因为这里的电流密度较高。

持续us级别的雪崩失效，失效圆点往往可能发生在晶圆的任意地方。

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3. 雪崩强度限值的计算与评估

单次雪崩时间的失效机理就是结合点的温度超出了最大温度限值。所以要通过计算或是电路仿真的方法来确保MOSFET的使用在雪崩限值以下。

• 计算的方法：

计算时需要注意的两点：

1. 雪崩事件是发生在MOSFET关闭之后的，那么关闭之前MOSFET的结合点已经达到了一定的温度，那么Tjmax=Tj_ON+delta_Tj_(AL)。

2. delta_Tj_(AL)=PDS(AL)M*tAL*Zth_tAL，这里的Zth_tAL需要从脉冲热阻曲线中获得。

雪崩强度是功率MOSFET重要的性能参数指标，也是设计者在电路设计中需要提前预防的要点。希望本文能够帮助大家缕清雪崩事件的前因后果，让设计的电路鲁棒性更强。