功率MOSFET的UIS雪崩损坏模式

功率MOSFET的UIS雪崩损坏有三种模式：热损坏、寄生三极管导通损坏和VGS尖峰误触发导通损坏。

1、热损坏

功率MOSFET在功率脉冲的作用下进入UIS雪崩的工作状态，VDS电压增加，体到epi-结的电场也增加，当场强增加到临界值时（硅中大约为3*e5V/cm），产生载流子的雪崩倍增，导致电流突然急剧增加。雪崩倍增并不是一个损坏的过程，在这个过程中，由于功耗增加导致硅片的结温升高，当结温升高到硅片特性允许的临界值，失效将发生。

传统的平面工艺的功率MOSFET，由于单元密度小、工艺简单，单元的一致性好，沟道产生的热量可以在单元之间的空间很好的传导，在大多数情况下，硅片不同区域的温度差异小，雪崩过程产生的损坏，就完全由硅片整体的热击穿所决定。

功率MOSFET边沿在生产切割过程中可能有应力损伤产生大的漏电流，导致击穿电压和长期稳定性下降，雪崩能力变差，在结构上可以通过在边缘加场板或场环来提高。

2、寄生三极管导通损坏

功率MOSFET在UIS雪崩过程中，电压增加时，体到epi-结的电场也增加，当场强增加到临界值时（硅中大约为3*e5V/cm），产生载流子的雪崩倍增，导致电流突然急剧增加，同时热产生的载流子在外延区形成，产生热点。

功率MOSFET内部的结构具有一个寄生的三极管，电流流过的通路包括空穴电流流过的路径IH(IH=ID)，就有可能产生高的电流密度，当VBE=IH*(Rp+Rc)>0.7V时，基级电流IB增加和三级管的放大作用促使局部的寄生三极管导通。其中，Rp为源极下体的夹挤电阻，Rc为连接电阻。

图1：沟漕MOSFET单元结构：寄生NPN和寄生基极电阻Rp及Rc

此状态发生后，栅极不再能够关断MOSFET的电流。由于局部的不一致性，那些弱的单元，寄生的三极管导通后，NPN管有负的温度系数，在高温大电流的条件下导通，会导致温度越高的单元分担越多的电流，这样在弱的单元，产生电流熔丝效应，从而导致失控发生。

即便是短的低能量的高压脉冲，只有高于临界的电流密度时才发生失效。高的Rp值和Rc值降低了UIS能力，新一代功率MOSFET结构中，如高压超结SJ以及低中压屏蔽栅SGT工艺，采用高电流密度单元结构，三极管放大倍数非常高，虽然Rp值并不大，但是Rp和Rc都会随着温度的增加而增加，射-基的开启电压VBE随着温度增加而减小，UIS能力随温度增加而降低。

同时，新一代的结构工艺复杂，增加了单元性能的不一致性；单元密度大，相互间加热，容易导致发热和温升的局部集中，从而影响UIS雪崩能力。

另外，体内二极管反向恢复期间，漏极的电压快速的上升会使寄生的双极型晶体管导通，漏极电压快速上升，然而少数载流子重组导致发射结正偏，使晶体管导通，器件损坏。以后在二极管的内容中再来讨论。

电感值降低时，电流上升快，功率MOSFET管雪崩产生的热量，由于内部热容的延迟效应，不能及时的耗散出去，更容易导致局部的单元过热而损坏，因此雪崩能量下降。

(a) 寄生三极管导通形成损坏

(b) 热损坏

图2：UIS雪崩损坏模式（VDD=150V，L=1mH，起始温度25C）

3、VGS尖峰误触发导通损坏

功率MOSFET在UIS雪崩过程中硅片的温度升高，VGS的阈值急剧降低，同时在雪崩过程中，VDS的电压耦合到G极，在G、S上产生的电压VGS高于的阈值，MOSFET误触发而开通，导致瞬态的大电流流过硅片局部区域，产生电流熔丝效应，从而损坏功率MOSFET，在这个过程中，通常也会叠加寄生三极管导通的损坏机理。

在实际应用中，UIS雪崩较少以这种方式发生失效。

4、雪崩损坏

图3示出了UIS雪崩损坏的测试波形和失效图。

(a) 测试波形，L=100uH

(b) 失效图

图3：UIS雪崩损坏波形和失效图

5、什么应用条件要考虑雪崩能量？

在实际的应用中，雪崩的损坏大多是因为多个极端边界条件共同的作用，例如：高温下，系统输出短路及过载测试，输入过电压测试以及动态的老化测试中。过压损坏通常直接理解为雪崩失效损坏，因为雪崩的过程伴随着过压的现象，只有那些在MOSFET的D和S极产生较大的电压尖峰应用，就要考虑器件的雪崩能量。

电压尖峰产生的能量主要由电感和电流所决定，对于反激应用，MOSFET关断时会产生较大的电压尖峰：VIN+输出反射电压+漏感，正常的情况下，有箝位电路，功率器件都会降额，从而留有足够的电压余量，不会出现问题。

但是，在一些极端条件下，测试输出短路启动或工作中短路，然后短路保护起作用，系统关断，然后重起，如此反复，输出短路时，初级电感可能会饱和，产生较大的电流，箝位电路工作有可能不正常工作，漏感产生较大尖峰，器件就会有雪崩损坏的可能，因此在这样的应用条件下，就要考虑器件的雪崩能量。

一些电机负载由于是感性负载，而且启动和堵转过程中产生极大的冲击电流，因此这样的应用也要考虑器件的雪崩能量。