功率MOSFET的UIS(UIL)特性深度解析

在關(guān)斷狀態(tài)下，功率MOSFET的體二極管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了阻斷最小漏極-源極電壓值。MOSFET體二極管的擊穿或雪崩表明反向偏置體二極管兩端的電場(chǎng)使得漏極和源極端子之間有大量電流流動(dòng)。典型的阻斷狀態(tài)漏電流在幾十皮安到幾百納安的數(shù)量級(jí)。之前我們討論過功率MOSFET的雪崩效應(yīng)，今天，我們將繼續(xù)分享相關(guān)UIS (UIL)數(shù)據(jù)表的額定值。 ?

除了Ipk vs tav圖之外，大多數(shù)功率MOSFET數(shù)據(jù)表還包含一個(gè)UIS能量額定值，通常列在最大值表中。這有點(diǎn)誤導(dǎo)，因?yàn)楹苊黠@ (E=0.5Vav*Ipk*tav) 功率 MOSFET 理論上可以具有無限大的能量額定值，如果用無限小的電感器（tav接近零）和無限大的電感（tav接近無窮大）進(jìn)行測(cè)量的話。功率 MOSFET 的 UIS 雪崩脈沖中消耗的能量隨著tav的增加而增加。（見圖8）。對(duì)于某些給定的 Tj(initial) 值，任何單個(gè)UIS雪崩額定值都可以作為位于Ipk vs tav SOA曲線上的任何Ipk、tav工作點(diǎn)。

選擇一個(gè)工作點(diǎn)而不是另一個(gè)工作點(diǎn)作為數(shù)據(jù)表“最大”額定值的一些原因包括：選擇工作點(diǎn)作為在生產(chǎn)線末端測(cè)試時(shí)用于篩選器件的相同工作點(diǎn)，或者出于營(yíng)銷或客戶目的以指示某些所需的能量水平。將一個(gè)器件的UIS能力與另一個(gè)器件進(jìn)行比較時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)是比較相同Tj(initial)溫度下的Ipk vs tav繪圖數(shù)據(jù)，而不是比較單個(gè)UIS額定值。

圖 8.圖7中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雪崩中隨時(shí)間變化的能量的數(shù)據(jù)。

UIS能量隨著tav的增加而增加。

幾個(gè)設(shè)計(jì)和相關(guān)的晶圓加工屬性被用來影響功率MOSFET UIS能力。其中最主要的是源極金屬觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)和處理，但是討論這些屬性并不是理解任何功率MOSFET設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)的必要條件，關(guān)于UIS功能，關(guān)鍵是是確保器件熱失效。也就是說，由于雪崩操作而在器件中耗散的能量?jī)H受器件針對(duì)該特定功率函數(shù)的熱能力的限制。具有相似BV特性（即相同或相似的雪崩電壓）和相似熱性能的MOSFET器件將具有相似的UIS能力。? 由于實(shí)際應(yīng)用中典型的UIS雪崩時(shí)間（并列在數(shù)據(jù)表圖上）通常小于一毫秒，因此熱流不會(huì)明顯受到外部熱邊界條件的影響；主要的熱約束是 MOSFET 裸芯的有源面積和厚度。因此，在MOSFET技術(shù)和類似技術(shù)內(nèi)，作為tav函數(shù)的Ipk (fail)能力預(yù)計(jì)應(yīng)該與裸芯有源面積成比例。事實(shí)證明這是正確的，見圖9。

圖9的y軸標(biāo)記為Jpk(fail)，單位A/mm2，這是單個(gè)MOSFET樣品的Ipk(fail)值除以器件有源面積得到的值。這使得可以將來自不同 MOSFET 樣品的Ipk（fail） vs tav數(shù)據(jù)包括在內(nèi)，這些樣品具有不同的裸芯有源面積（在本例中為約 1mm2到13mm2）。此外，圖9顯示了三種截然不同的60V MOSFET技術(shù)的數(shù)據(jù)，每種技術(shù)都具有相似的雪崩電壓特性。從該數(shù)據(jù)中可以清楚地看出，這些具有相似雪崩電壓特性的不同MOSFET技術(shù)表現(xiàn)出相同的UIS能力，與裸芯有源面積（或更準(zhǔn)確地說，有源裸芯體積）成比例。圖10顯示了Jpk(fail)數(shù)據(jù)作為雪崩時(shí)間的函數(shù)，用于表示三個(gè)不同BV額定值的三組不同數(shù)據(jù)。圖10說明，與較高BV器件相比，較低BV額定值（較低Vav）器件在雪崩中的給定時(shí)間具有更高的Jpk能力。然而，如果圖10中的數(shù)據(jù)根據(jù)能量（失效）密度（以J/mm2為單位）繪制，則無論技術(shù)和BV額定值如何，能量密度大致遵循相同的函數(shù)，這進(jìn)一步證明MOSFET UIS能力與裸芯有源體積成比例（見圖11）。

圖9.三種不同額定60V MOSFET技術(shù)的失效時(shí)峰值雪崩電流密度作為tav數(shù)據(jù)的函數(shù)

圖10.三種不同BV額定值下多種MOSFET技術(shù)的失效時(shí)峰值雪崩電流密度與tav數(shù)據(jù)的關(guān)系

圖11.失效時(shí)的能量密度與根據(jù)圖10數(shù)據(jù)計(jì)算的tav數(shù)據(jù)。此能量密度函數(shù)對(duì)于任何額定值的BV產(chǎn)品都大致相同。

MOSFET UIS能力在任何情況下僅受MOSFET器件熱能力限制，但有一個(gè)例外。在較高的雪崩電流密度下，MOSFET器件可能會(huì)在遠(yuǎn)低于熱基Jpk(fail)預(yù)期值的情況下發(fā)生失效。也就是說，數(shù)據(jù)表上的Ipk vs tav圖不能無限外推到更高的Ipk和更低的tav值。

其原因如圖12所示。MOSFET結(jié)構(gòu)的p摻雜區(qū)、n摻雜源極區(qū)和n摻雜漂移 (epi) 區(qū)形成一個(gè)npn晶體管。此npn晶體管的基極到發(fā)射極結(jié)由p摻雜區(qū)域和n摻雜源極區(qū)域形成，被前端金屬短接。因此，源極金屬觸點(diǎn)是MOSFET UIS能力的關(guān)鍵設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)。如果npn被激活，因?yàn)榛鶚O到發(fā)射極是正向偏置的，大量的雪崩電流將聚集在缺陷位置，導(dǎo)致器件快速失效。關(guān)鍵是要認(rèn)識(shí)到p摻雜區(qū)域具有一定的電阻水平，因此在某些雪崩電流密度下，p-n結(jié)將正向偏置，從而激活npn晶體管。

圖13顯示了與較長(zhǎng)雪崩時(shí)間相比，較低雪崩時(shí)間的 Jpk(fail) 數(shù)據(jù)，其中器件Jpk的失效顯然是與固有的熱性能有關(guān)。因此，任何功率MOSFET都必須對(duì)峰值雪崩電流有一個(gè)最大限制。即使數(shù)據(jù)表沒有列出或顯示最大UIS Ipk值也是如此。在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，如果需要從非常高幅值的短路電流中斷開，雪崩過程中的最大Ipk限制可能會(huì)成為一個(gè)問題。由于PCB或電源線布線中的小雜散電感，即使雪崩能量遠(yuǎn)低于固有熱失效所需的能量，MOSFET也可能在關(guān)斷時(shí)發(fā)生雪崩失效。

圖12.顯示內(nèi)部npn BJT結(jié)構(gòu)的屏蔽柵極MOSFET結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化橫截面圖。虛線箭頭代表雪崩電流。

圖13.額定電壓為40V的產(chǎn)品的峰值雪崩電流密度與tav的關(guān)系，顯示了在低雪崩時(shí)間和高峰值電流密度下的非熱失效

功率MOSFET可以在雪崩中重復(fù)運(yùn)行，前提是每次雪崩事件都在安全工作限制范圍（Ipk、tav、Tj(initial)）內(nèi)。也就是說，基于溝槽的MOSFET技術(shù)由于類似于熱載流子注入的效應(yīng)而導(dǎo)致重復(fù)的雪崩操作，可能會(huì)表現(xiàn)出直流參數(shù)偏移。圖14說明了這一點(diǎn)；在雪崩期間，處于高電場(chǎng)下的漂移 (n?epi) 區(qū)域可能存在高電流密度（漂移或臺(tái)面區(qū)域完全耗盡）。在溝槽結(jié)構(gòu)中，柵極和屏蔽氧化物與高電流雪崩電流相鄰，高電場(chǎng)可以將電荷載流子撞擊到柵極和屏蔽氧化物中，具體取決于操作條件。平面技術(shù)結(jié)構(gòu)在雪崩操作期間并非如此。通常，平面MOSFET結(jié)構(gòu)不受重復(fù)雪崩HCI效應(yīng)的影響。

受重復(fù)雪崩HCI效應(yīng)影響的MOSFET直流參數(shù)包括BVdss（雪崩電壓）、Idss（斷態(tài)漏極-源極漏電流）、Vth（柵極-源極閾值電壓）和Rds(on)（通態(tài)漏極-源極阻抗）。Igss（斷態(tài)柵極-源極漏電流）不受重復(fù)雪崩操作的影響。通常，BVdss參數(shù)偏移會(huì)發(fā)生并在最初的幾百到幾千個(gè)重復(fù)雪崩循環(huán)中穩(wěn)定下來，但增量幅度通常小于±3V，這在大多數(shù)情況下不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用問題。在數(shù)百萬至數(shù)億次重復(fù)雪崩循環(huán)后，Idss會(huì)顯著增加（從納安范圍到個(gè)位微安范圍）。

通道中的遷移率會(huì)受到重復(fù)雪崩HCI效應(yīng)的影響，導(dǎo)致Rds(on) 增加，同時(shí)Vth降低，同樣是在超過數(shù)百萬到數(shù)億個(gè)重復(fù)雪崩循環(huán)后出現(xiàn)。這些參數(shù)是否顯著變化以及變化幅度取決于重復(fù)雪崩操作條件（平均和峰值結(jié)溫、結(jié)溫變化、雪崩電流密度、雪崩時(shí)間和雪崩循環(huán)次數(shù)）。通常，這些參數(shù)偏移不會(huì)導(dǎo)致物理器件失效，但顯然特定類型、幅度和方向的參數(shù)偏移可能會(huì)導(dǎo)致最終應(yīng)用問題。圖15顯示了在重復(fù)雪崩條件下運(yùn)行的溝槽MOSFET技術(shù)器件的參數(shù)偏移數(shù)據(jù)（相較于初始測(cè)量結(jié)果的變化量）示例。

圖14.平面MOSFET結(jié)構(gòu)（左）和屏蔽柵極MOSFET結(jié)構(gòu)（右）的簡(jiǎn)化橫截面圖。虛線代表雪崩電流。

圖15.溝槽型MOSFET中直流參數(shù)偏移作為重復(fù)雪崩循環(huán)數(shù)據(jù)的函數(shù)

關(guān)于功率MOSFET雪崩操作的關(guān)鍵點(diǎn)是，沒有明確的方法來確定功率MOSFET重復(fù)雪崩能力的額定值。數(shù)據(jù)表上的任何重復(fù)雪崩額定值都應(yīng)基于操作條件假設(shè)，并定義確定功能能力限制的方法（例如，達(dá)到某些直流參數(shù)百分比變化所需的循環(huán)次數(shù)）。

作為一般設(shè)計(jì)規(guī)則，應(yīng)避免重復(fù)雪崩操作，這是首選的電路設(shè)計(jì)操作。當(dāng)然，這不可能總是被實(shí)踐；正如本應(yīng)用筆記前面提到的，現(xiàn)實(shí)世界中需要MOSFET按照設(shè)計(jì)發(fā)生重復(fù)雪崩的應(yīng)用。在這些情況下，為確定MOSFET對(duì)重復(fù)雪崩操作的適用性，最好使用應(yīng)用操作條件根據(jù)實(shí)證分析進(jìn)行評(píng)估。

UIS (UIL)是MOSFET雪崩操作的一種具體形式，由非鉗位電感負(fù)載的關(guān)斷引起。功率MOSFET的設(shè)計(jì)和制造使UIS雪崩操作僅受器件熱能力或最大峰值雪崩電流密度的限制。Ipk與tav SOA的函數(shù)關(guān)系圖是展示功率MOSFET UIS能力的最佳方式。除非已知并理解測(cè)試操作條件（Ipk、Vav、L、tav和Tj(initial)），否則不應(yīng)在器件之間比較單個(gè)UIS能量額定值。具有相同或相似雪崩電壓功能和相同或相似熱能力的器件將具有相同的UIS失效能力，但I(xiàn)pk vs tav SOA圖的降額因子可能因使用的行業(yè)而異。安全的重復(fù)雪崩操作是有可能實(shí)現(xiàn)的，但根據(jù)操作條件可能會(huì)發(fā)生DC參數(shù)偏移。

審核編輯：黃飛

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