【功率器件研究所】第二课：如何理解功率MOSFET规格书（4/4）

七．雪崩特性

这些参数是 MOSFET 在关断状态能承受瞬时过压能力的指标。如果电压超过漏源极限电压将导致器件处在雪崩状态，这个强度是由外壳温度为25 ˚ C时漏极接非钳位电感，器件非重复关断所能承受的能量来定义的。

图7.1 IRFB11N50A datasheet section 8

这个能量水平在外壳温度越高时越小。

非重复意味着电路不应设计成使功率MOS重复处于雪崩状态。运行该能力只允许意外的电路条件导致瞬时过压发生时，器件能够幸免损坏。

1．单次脉冲雪崩击穿能量E_AS：

这是个极限参数，说明 MOSFET 所能承受的最大雪崩击穿能量。

雪崩能量的计算公式为：

(式7.1)

Datasheet中给出的雪崩能量值一般是真实能量值的一半左右。

 图7.2Maximum Avalanche Energy Vs.Drain Current

2. 雪崩电流I_AS：

雪崩击穿时MOSFET能承受的最大电流，超过这个电流，器件将损坏。雪崩电流一般等于器件的最大额定漏电流I_D（即器件的最大工作电流）。

如图7.3，雪崩电流越大，所能承受的雪崩电压越高，雪崩能量也就越大。

 图7.3 Typical Drain-to-SourceVoltage Vs. Avalanche Current

3.重复雪崩击穿能量E_AR：

MOSFET在重复情况下能承受的每一个脉冲的雪崩击穿能量。

该参数时通过P_D计算得到的，计算公式如下：

(式7.2)

将表中的P_D=170代入，可得：

E_AR =0.017J，也就是17mJ。

这一计算公式也是从三极管的参数特性中沿用下来的。

所谓的雪崩击穿，就是指：

在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获得能量增大，在晶体中运行的中子和空穴将不断的与警惕原子发生碰撞，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再去碰撞其他中性原子，又产生的自由电子空穴对。如此连锁反应使得阻挡层中的载流子的数量急剧增加，因而流过PN结的反向电流就急剧增大。因增长速度极快，象雪崩一样,所以这种碰撞电离称为雪崩击穿。

(a)

（b）

图7.4MOSFET示意图

(a)体内等效电路 (b)外部等效电路

图7.4(a)为MOSFET的体内等效电路，其中含有一个寄生的双极性晶体管V₂，它的集电极、发射极同是MOSFET的漏极和源极。当漏极存在大电流I_D，高电压V_D时，DS间的寄生二极管MN先发生雪崩击穿击穿，之后由于负载R_B上的电压降随着电流的增加不断升高，导致寄生三极管基极电势V_B升高，出现所谓的“快回(Snap-back)”现象，即在V_B升高到一定程度时（V_BE>0.6V），寄生三极管V₂导通，集电极（即漏极）电压快速返回达到晶体管基极开路时的击穿电压（增益很高的晶体管中该值相对较低），从而发生二次击穿现象，其击穿曲线如图7.5所示。随着寄生三极管的导通，器件电流进一步增大，导致发热，并烧毁。

图7.5   Snap-back时I-V曲线

在正向偏置工作时，由于功率MOSFET是多数载流子导电，通常被看成是不存在二次击穿的器件。但事实上，当功率MOSFET反向偏置时，受电气量变化（如漏源极电压、电流变化）的作用，功率MOSFET内部载流子容易发生雪崩式倍增，因而发生雪崩击穿现象。与双极性晶体管的二次击穿不同，MOSFET的雪崩击穿常在高压、大电流时发生，不存在局部热点的作用；其安全工作范围也不受脉冲宽度的影响。寄生器件在MOSFET的雪崩击穿中起着决定性的作用，寄生晶体管的激活导通是其雪崩击穿的主要原因。在MOSFET发生雪崩击穿时，器件内部能量的耗散会使器件温度急剧升高。

图7.6   雪崩击穿的MOSFET剖面图 

图7.6给出了MOSFET在雪崩击穿下的剖面图，并标注了电流和电场的方向，其中，黄线表示的是正常导通状态下的电流流向。根据上面的分析，随着Drain上的电压增大，由于E = U／d，所以2处的PN结在不断加强的电场（图中红线）下首先雪崩击穿，击穿后，电流剧增（图中蓝线），导致3处电阻R_B两端的电压不断增大，最终大于1处PN结（P-body与N+组成）的正向导通电压（约0.7V），使1处的寄生三极管导通，电流进一步猛增，完成整个雪崩击穿过程。

图7.7是典型的雪崩测试波形。

图7.7 TypicalUIS waveform

从测试角度分析，最大雪崩电流I_pk，结温T_J，电感L，工作电压V_DD，雪崩时间t_av等均会影响雪崩能量的测试结果。

从工艺角度分析，管芯的有效面积，器件的转角结构，EPI的电阻率及厚度，P-Body的电阻R_B，输出电容C_oss，以及封装引入的热阻等等参数，都会对雪崩击穿能力产生直接的影响。

八．体二极管参数

图8.1 IRFB11N50A datasheet section 9

反向二极管是垂直结构的功率MOSFET固有的（见上表中结构图）。在一些电路中这种二极管有重要功能。

1. 连续反向漏极电流（从源极）I_S：

寄生二极管里允许通过的正向电流。

2. 脉冲反向漏极电流（从源极）I_SM：

I_SM =4×I_S  

 (式8.1)

3. 正向导通压降V_SD：

体二级管的正常导通电压，该参数是一个负温度系数，如图8.2。

由于N型硅与金属的接触电阻要小于P型硅，所以N沟道的MOSFET器件的V_SD要小于同类型的P沟道器件。

图8.2 TypicalSource-to-Drain Diode Forward Voltage

一般来说，V_SD典型值在0.7V～0.9V之间。大于100V的高压器件的V_SD最大值为1.6V，小于100V的低压器件的V_SD最大值为1V。

4. 正向导通时间t_on：

基于漏极和源极外部电路寄生电感的正向导通时间t_on，基本可以忽略不计。

5. 反向恢复时间t_rr，反向恢复充电电量Q_rr，最大反向恢复电流I_rrm：

反向恢复时间t_rr用以表征寄生二极管的切换速度，即该二极管从正向导通状态导通状态急剧转换到反向截止状态，从输出脉冲下降到零线开始，到反向电源电流恢复到最大反向电流的10%（这个比例，不同厂商的标准不同），所需要的时间。该参数完全由电路中-dI_f／dt 决定，一般的设定值为100 A/us。

最大反向恢复电流I_rrm是指反向恢复过程中电流曲线的最低点，也就是反向电流的最大指。同时，这点也作为t_a和t_b的分界点，用以计算反向恢复曲线的柔软度：

Softness = t_b／t_a (式8.2)

对于正常的MOSFET，式8.2的值应该大于1，对于特殊的快恢复的MOSFET老说，式8.2的值会小于1。

图8.3 标准的反向恢复曲线

反向恢复充电电量Q_rr是指完成反向恢复过程所需电荷总量。即图8.3的阴影部分。其计算公式为：

Q_rr =t_rr·I_rrm   

(式8.3)

理论上，由公式计算得到的Q_rr与由示波器直接读出的曲线围成的面积越接近越好。一般面积值会大于计算得到的Q_rr值，但是，如果两者差很多的话，就说明这个反向恢复的拖尾时间太长了。

结语

本文详细解释了功率器件规格说明书中每项参数的定义，并给出了与设计和工艺方面的关系。

随着近年来，MOSFET技术发展迅速，大家都朝着同样的目标奋进：最小的管芯面积，最强的雪崩能量EAS，最低的FOM性能等等。

这些性能相辅相成，又相生相克。所以如何去权衡它们之间的关系，如何针对不同的应用领域，去设计出有着不同特性着重点的MOSFET器件，是目前产品设计和工艺开发人员的最大课题。