功率MOSFET及其雪崩击穿额定值背后的理论和设计过程中的局限性

本应用笔记介绍了功率 MOSFET 及其雪崩击穿额定值背后的理论。该文件还讨论了坚固型 MOSFET 的设计和额定值，以及不同的雪崩额定值及其在设计过程中的局限性。

雪崩模式定义

所有半导体器件都具有一定的最大反向电压额定值（功率 MOSFET 的 BV DSS）。高于此阈值的操作将导致反向偏置 pn 结中的高电场。由于碰撞电离，高电场会产生电子-空穴对，这些电子-空穴对会产生倍增效应，从而导致电流增加。流过器件的反向电流会导致高功耗、相关的温升和潜在的器件损坏。

工业应用中发生的雪崩

反激式转换器电路

一些设计者不允许雪崩操作；相反，在额定 BV DSS 和 VDD 之间保持电压降额（通常为 90% 或更少）。然而，在这种情况下，可能会出现超出计划的电压尖峰的情况并不少见，因此即使是最好的设计也可能会遇到非频率雪崩事件。图 1 显示了一个这样的示例，即反激式转换器。

反激式转换器电路

在反激式转换器的 MOSFET 操作期间，能量存储在漏电感中。如果电感未正确钳位，在 MOSFET 关断期间，漏电感通过初级开关放电，并可能导致雪崩操作，如图 2 和 3 中 VDS、ID 和 VGS 与时间的关系波形所示。

雪崩波形下的反激式转换器开关：

雪崩波形下的反激式转换器开关（详细）

雪崩故障模式

一些功率半导体器件设计为在有限时间内承受一定量的雪崩电流，因此可以达到雪崩额定值。其他人会在雪崩开始后很快失败。性能差异源于特定的设备物理、设计和制造。

功率 MOSFET 器件物理

所有半导体器件都包含器件物理设计固有的寄生元件。在功率 MOSFET 中，这些组件包括由于 p 和 n 区之间的结中的电荷转移而产生的电容器、与材料电阻率相关的电阻器、在 p+ 体扩散进入 n- 外延层时形成的体二极管，以及 NPN（双极结型晶体管此后称为 BJT） 序列 （BJT），在 n+ 源极触点扩散的地方形成。请参见图 4 了解包含上面列出的寄生元件的功率 MOSFET 横截面，参见图 5 了解器件的完整电路模型。

功率 MOSFET 横截面：

功率MOSFET电路模型在雪崩中，充当二极管的 pn 结不再阻断电压。施加更高的电压会达到临界场，其中碰撞电离趋于无穷大，载流子浓度由于雪崩倍增而增加。由于径向场分量，器件内部的电场在结弯曲处最强。这种强电场会在寄生 BJT 附近产生最大电流，如下图 6 所示。功耗会增加温度，从而增加 RB，因为硅电阻率随温度增加。根据欧姆定律，我们知道在恒定电流下增加电阻会导致电阻两端的电压降增加。当压降足以正向偏置寄生 BJT 时，

雪崩下的功率 MOSFET 截面

功率 MOSFET 用户应注意了解不同供应商之间雪崩额定条件的差异。不是“雪崩稳健”的设备可能会导致意外和看似无法解释的电路故障。一些制造商根本没有对他们的 MOSFET 进行雪崩评级。其他人单独使用统计评级，这不能为更完整的表征和评级提供的稳健操作提供相同的保证。

编辑：ymf