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  • MOSFET雪崩擊穿額定值理論解析
    • 發(fā)布時(shí)間:2022-04-22 17:20:55
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    MOSFET雪崩擊穿額定值理論解析
    雪崩模式定義
    所有半導(dǎo)體器件都具有一定的最大反向電壓額定值(功率 MOSFET 的 BV DSS)。高于此閾值的操作將導(dǎo)致反向偏置 pn 結(jié)中的高電場。
    由于碰撞電離,高電場會產(chǎn)生電子-空穴對,這些電子-空穴對會產(chǎn)生倍增效應(yīng),從而導(dǎo)致電流增加。流過器件的反向電流會導(dǎo)致高功耗、相關(guān)的溫升和潛在的器件損壞。
    工業(yè)應(yīng)用中發(fā)生的雪崩
    反激式轉(zhuǎn)換器電路
    一些設(shè)計(jì)者不允許雪崩操作;相反,在額定 BV DSS 和 VDD 之間保持電壓降額(通常為 90% 或更少)。
    然而,在這種情況下,可能會出現(xiàn)超出計(jì)劃的電壓尖峰的情況并不少見,因此即使是最好的設(shè)計(jì)也可能會遇到非頻率雪崩事件。圖 1 顯示了一個這樣的示例,即反激式轉(zhuǎn)換器。
    MOSFET 雪崩 額定值
    反激式轉(zhuǎn)換器電路
    在反激式轉(zhuǎn)換器的 MOSFET 操作期間,能量存儲在漏電感中。如果電感未正確鉗位,在 MOSFET 關(guān)斷期間,漏電感通過初級開關(guān)放電,并可能導(dǎo)致雪崩操作,如圖 2 和 3 中 VDS、ID 和 VGS 與時(shí)間的關(guān)系波形所示。
    MOSFET 雪崩 額定值
    雪崩波形下的反激式轉(zhuǎn)換器開關(guān):
    MOSFET 雪崩 額定值
    雪崩波形下的反激式轉(zhuǎn)換器開關(guān)(詳細(xì))
    雪崩故障模式
    一些功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)為在有限時(shí)間內(nèi)承受一定量的雪崩電流,因此可以達(dá)到雪崩額定值。其他人會在雪崩開始后很快失敗。性能差異源于特定的設(shè)備物理、設(shè)計(jì)和制造。
    功率 MOSFET 器件物理
    所有半導(dǎo)體器件都包含器件物理設(shè)計(jì)固有的寄生元件。
    在功率 MOSFET 中,這些組件包括由于 p 和 n 區(qū)之間的結(jié)中的電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的電容器、與材料電阻率相關(guān)的電阻器、在 p+ 體擴(kuò)散進(jìn)入 n- 外延層時(shí)形成的體二極管,以及 NPN(雙極結(jié)型晶體管此后稱為 BJT) 序列 (BJT),在 n+ 源極觸點(diǎn)擴(kuò)散的地方形成。
    請參見圖 4 了解包含上面列出的寄生元件的功率 MOSFET 橫截面,參見圖 5 了解器件的完整電路模型。
    MOSFET 雪崩 額定值
    功率 MOSFET 橫截面:
    MOSFET 雪崩 額定值
    功率MOSFET電路模型在雪崩中,充當(dāng)二極管的 pn 結(jié)不再阻斷電壓。施加更高的電壓會達(dá)到臨界場,其中碰撞電離趨于無窮大,載流子濃度由于雪崩倍增而增加。
    由于徑向場分量,器件內(nèi)部的電場在結(jié)彎曲處最強(qiáng)。這種強(qiáng)電場會在寄生 BJT 附近產(chǎn)生最大電流,如下圖 6 所示。功耗會增加溫度,從而增加 RB,因?yàn)楣桦娮杪孰S溫度增加。
    根據(jù)歐姆定律,我們知道在恒定電流下增加電阻會導(dǎo)致電阻兩端的電壓降增加。當(dāng)壓降足以正向偏置寄生 BJT 時(shí),
    MOSFET 雪崩 額定值
    雪崩下的功率 MOSFET 截面
    功率 MOSFET 用戶應(yīng)注意了解不同供應(yīng)商之間雪崩額定條件的差異。不是“雪崩穩(wěn)健”的設(shè)備可能會導(dǎo)致意外和看似無法解釋的電路故障。
    一些制造商根本沒有對他們的 MOSFET 進(jìn)行雪崩評級。其他人單獨(dú)使用統(tǒng)計(jì)評級,這不能為更完整的表征和評級提供的穩(wěn)健操作提供相同的保證。
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