七．雪崩特性
這些參數(shù)是 MOSFET 在關(guān)斷狀態(tài)能承受瞬時(shí)過壓能力的指標(biāo)。如果電壓超過漏源極限電壓將導(dǎo)致器件處在雪崩狀態(tài)，這個強(qiáng)度是由外殼溫度為25 ? C時(shí)漏極接非鉗位電感，器件非重復(fù)關(guān)斷所能承受的能量來定義的。
圖7.1 IRFB11N50A datasheet section 8
這個能量水平在外殼溫度越高時(shí)越小。
非重復(fù)意味著電路不應(yīng)設(shè)計(jì)成使功率MOS重復(fù)處于雪崩狀態(tài)。運(yùn)行該能力只允許意外的電路條件導(dǎo)致瞬時(shí)過壓發(fā)生時(shí)，器件能夠幸免損壞。
1．單次脈沖雪崩擊穿能量EAS：
這是個極限參數(shù)，說明 MOSFET 所能承受的最大雪崩擊穿能量。
雪崩能量的計(jì)算公式為：
(式7.1)
Datasheet中給出的雪崩能量值一般是真實(shí)能量值的一半左右。
圖7.2Maximum Avalanche Energy Vs.Drain Current
2. 雪崩電流IAS：
雪崩擊穿時(shí)MOSFET能承受的最大電流，超過這個電流，器件將損壞。雪崩電流一般等于器件的最大額定漏電流ID（即器件的最大工作電流）。
如圖7.3，雪崩電流越大，所能承受的雪崩電壓越高，雪崩能量也就越大。
圖7.3 Typical Drain-to-SourceVoltage Vs. Avalanche Current
3.重復(fù)雪崩擊穿能量EAR：
MOSFET在重復(fù)情況下能承受的每一個脈沖的雪崩擊穿能量。
該參數(shù)時(shí)通過PD計(jì)算得到的，計(jì)算公式如下：
(式7.2)
將表中的PD=170代入，可得：
EAR =0.017J，也就是17mJ。
這一計(jì)算公式也是從三極管的參數(shù)特性中沿用下來的。
所謂的雪崩擊穿，就是指：
在材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)中的電場隨著增強(qiáng)。這樣通過空間電荷區(qū)的電子和空穴就會在電場作用下獲得能量增大，在晶體中運(yùn)行的中子和空穴將不斷的與警惕原子發(fā)生碰撞，通過這樣的碰撞可使束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子碰撞出來，產(chǎn)生自由電子-空穴對。新產(chǎn)生的載流子在電場作用下再去碰撞其他中性原子，又產(chǎn)生的自由電子空穴對。如此連鎖反應(yīng)使得阻擋層中的載流子的數(shù)量急劇增加，因而流過PN結(jié)的反向電流就急劇增大。因增長速度極快，象雪崩一樣,所以這種碰撞電離稱為雪崩擊穿。
(a)
（b）
圖7.4MOSFET示意圖
(a)體內(nèi)等效電路 (b)外部等效電路
圖7.4(a)為MOSFET的體內(nèi)等效電路，其中含有一個寄生的雙極性晶體管V2，它的集電極、發(fā)射極同是MOSFET的漏極和源極。當(dāng)漏極存在大電流ID，高電壓VD時(shí)，DS間的寄生二極管MN先發(fā)生雪崩擊穿擊穿，之后由于負(fù)載RB上的電壓降隨著電流的增加不斷升高，導(dǎo)致寄生三極管基極電勢VB升高，出現(xiàn)所謂的“快回(Snap-back)”現(xiàn)象，即在VB升高到一定程度時(shí)（VBE>0.6V），寄生三極管V2導(dǎo)通，集電極（即漏極）電壓快速返回達(dá)到晶體管基極開路時(shí)的擊穿電壓（增益很高的晶體管中該值相對較低），從而發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象，其擊穿曲線如圖7.5所示。隨著寄生三極管的導(dǎo)通，器件電流進(jìn)一步增大，導(dǎo)致發(fā)熱，并燒毀。
圖7.5 Snap-back時(shí)I-V曲線
在正向偏置工作時(shí)，由于功率MOSFET是多數(shù)載流子導(dǎo)電，通常被看成是不存在二次擊穿的器件。但事實(shí)上，當(dāng)功率MOSFET反向偏置時(shí)，受電氣量變化（如漏源極電壓、電流變化）的作用，功率MOSFET內(nèi)部載流子容易發(fā)生雪崩式倍增，因而發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。與雙極性晶體管的二次擊穿不同，MOSFET的雪崩擊穿常在高壓、大電流時(shí)發(fā)生，不存在局部熱點(diǎn)的作用；其安全工作范圍也不受脈沖寬度的影響。寄生器件在MOSFET的雪崩擊穿中起著決定性的作用，寄生晶體管的激活導(dǎo)通是其雪崩擊穿的主要原因。在MOSFET發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，器件內(nèi)部能量的耗散會使器件溫度急劇升高。
圖7.6 雪崩擊穿的MOSFET剖面圖
圖7.6給出了MOSFET在雪崩擊穿下的剖面圖，并標(biāo)注了電流和電場的方向，其中，黃線表示的是正常導(dǎo)通狀態(tài)下的電流流向。根據(jù)上面的分析，隨著Drain上的電壓增大，由于E = U／d，所以2處的PN結(jié)在不斷加強(qiáng)的電場（圖中紅線）下首先雪崩擊穿，擊穿后，電流劇增（圖中藍(lán)線），導(dǎo)致3處電阻RB兩端的電壓不斷增大，最終大于1處PN結(jié)（P-body與N+組成）的正向?qū)妷海s0.7V），使1處的寄生三極管導(dǎo)通，電流進(jìn)一步猛增，完成整個雪崩擊穿過程。
圖7.7是典型的雪崩測試波形。
圖7.7 TypicalUIS waveform
從測試角度分析，最大雪崩電流Ipk，結(jié)溫TJ，電感L，工作電壓VDD，雪崩時(shí)間tav等均會影響雪崩能量的測試結(jié)果。
從工藝角度分析，管芯的有效面積，器件的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，EPI的電阻率及厚度，P-Body的電阻RB，輸出電容Coss，以及封裝引入的熱阻等等參數(shù)，都會對雪崩擊穿能力產(chǎn)生直接的影響。
八．體二極管參數(shù)
圖8.1 IRFB11N50A datasheet section 9
反向二極管是垂直結(jié)構(gòu)的功率MOSFET固有的（見上表中結(jié)構(gòu)圖）。在一些電路中這種二極管有重要功能。
1. 連續(xù)反向漏極電流（從源極）IS：
寄生二極管里允許通過的正向電流。
2. 脈沖反向漏極電流（從源極）ISM：
ISM =4×IS
(式8.1)
3. 正向?qū)▔航?/span>VSD：
體二級管的正常導(dǎo)通電壓，該參數(shù)是一個負(fù)溫度系數(shù)，如圖8.2。
由于N型硅與金屬的接觸電阻要小于P型硅，所以N溝道的MOSFET器件的VSD要小于同類型的P溝道器件。
圖8.2 TypicalSource-to-Drain Diode Forward Voltage
一般來說，VSD典型值在0.7V～0.9V之間。大于100V的高壓器件的VSD最大值為1.6V，小于100V的低壓器件的VSD最大值為1V。
4. 正向?qū)〞r(shí)間ton：
基于漏極和源極外部電路寄生電感的正向?qū)〞r(shí)間ton，基本可以忽略不計(jì)。
5. 反向恢復(fù)時(shí)間trr，反向恢復(fù)充電電量Qrr，最大反向恢復(fù)電流Irrm：
反向恢復(fù)時(shí)間trr用以表征寄生二極管的切換速度，即該二極管從正向?qū)顟B(tài)導(dǎo)通狀態(tài)急劇轉(zhuǎn)換到反向截止?fàn)顟B(tài)，從輸出脈沖下降到零線開始，到反向電源電流恢復(fù)到最大反向電流的10%（這個比例，不同廠商的標(biāo)準(zhǔn)不同），所需要的時(shí)間。該參數(shù)完全由電路中-dIf／dt 決定，一般的設(shè)定值為100 A/us。
最大反向恢復(fù)電流Irrm是指反向恢復(fù)過程中電流曲線的最低點(diǎn)，也就是反向電流的最大指。同時(shí)，這點(diǎn)也作為ta和tb的分界點(diǎn)，用以計(jì)算反向恢復(fù)曲線的柔軟度：
Softness = tb／ta (式8.2)
對于正常的MOSFET，式8.2的值應(yīng)該大于1，對于特殊的快恢復(fù)的MOSFET老說，式8.2的值會小于1。
圖8.3 標(biāo)準(zhǔn)的反向恢復(fù)曲線
反向恢復(fù)充電電量Qrr是指完成反向恢復(fù)過程所需電荷總量。即圖8.3的陰影部分。其計(jì)算公式為：
Qrr =trr·Irrm
(式8.3)
理論上，由公式計(jì)算得到的Qrr與由示波器直接讀出的曲線圍成的面積越接近越好。一般面積值會大于計(jì)算得到的Qrr值，但是，如果兩者差很多的話，就說明這個反向恢復(fù)的拖尾時(shí)間太長了。
結(jié)語
本文詳細(xì)解釋了功率器件規(guī)格說明書中每項(xiàng)參數(shù)的定義，并給出了與設(shè)計(jì)和工藝方面的關(guān)系。
隨著近年來，MOSFET技術(shù)發(fā)展迅速，大家都朝著同樣的目標(biāo)奮進(jìn)：最小的管芯面積，最強(qiáng)的雪崩能量EAS，最低的FOM性能等等。
這些性能相輔相成，又相生相克。所以如何去權(quán)衡它們之間的關(guān)系，如何針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，去設(shè)計(jì)出有著不同特性著重點(diǎn)的MOSFET器件，是目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)人員的最大課題。
END