引言

雪崩耐量是功率器件性能評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)，那么什么是雪崩耐量呢？即向半導(dǎo)體的接合部施加較大的反向衰減偏壓時(shí),電場(chǎng)衰減電流的流動(dòng)會(huì)引起雪崩衰減,此時(shí)元件可吸收的能量稱(chēng)為雪崩耐量，表示施加電壓時(shí)的抗擊穿能力。它對(duì)步進(jìn)電機(jī)，開(kāi)關(guān)電源等終端產(chǎn)品的安規(guī)及可靠性有著緊密的影響。新潔能是國(guó)內(nèi)為數(shù)很少的、擁有自主半導(dǎo)體器件工藝設(shè)計(jì)能力的功率集成電路設(shè)計(jì)公司，顯著區(qū)別于只能采用晶圓廠標(biāo)準(zhǔn)工藝制程的一般設(shè)計(jì)公司。新潔能應(yīng)用團(tuán)隊(duì)從功率器件的雪崩原理入手詳細(xì)為大家介紹以下幾點(diǎn):

1、雪崩擊穿的原理與介紹；

2、單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩的測(cè)試原理有什么不同；

3、雪崩擊穿失效機(jī)理是什么；

4、如何在應(yīng)用設(shè)計(jì)中提升電路的抗雪崩能力；

一、雪崩擊穿的原理與介紹

當(dāng)功率器件PN結(jié)的反向電壓增大到某一數(shù)值后，半導(dǎo)體內(nèi)載流子通過(guò)碰撞電離開(kāi)始倍增，這一現(xiàn)象與宏觀世界中高山雪崩是很像的，所以我們稱(chēng)之為雪崩擊穿。

功率器件并不是觸發(fā)雪崩就會(huì)損壞的，而是對(duì)雪崩能量有一定的承受能力，稱(chēng)之為雪崩耐量，一般從以下兩個(gè)特性來(lái)考量某個(gè)功率器承受的雪崩耐量的強(qiáng)弱，分別是：

1、單脈沖雪崩耐量;

2、重復(fù)雪崩耐量。

二、單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩的測(cè)試原理

單脈沖雪崩

圖1給出了單脈沖雪崩測(cè)試的原理圖，對(duì)待測(cè)器件的Gate極施加開(kāi)啟信號(hào)，器件導(dǎo)通，電流從器件的溝道通路流通對(duì)電感L儲(chǔ)能；當(dāng)單脈沖結(jié)束，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?，Gate關(guān)閉，此時(shí)電感能量泄放于器件上。

圖1給出了單脈沖雪崩測(cè)試的原理圖，對(duì)待測(cè)器件的Gate極施加開(kāi)啟信號(hào)，器件導(dǎo)通，電流從器件的溝道通路流通對(duì)電感L儲(chǔ)能；當(dāng)單脈沖結(jié)束，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?，Gate關(guān)閉，此時(shí)電感能量泄放于器件上。

（圖1）

圖2給出了單脈沖雪崩測(cè)試幾個(gè)關(guān)鍵位置結(jié)點(diǎn)的示波器波形圖，可以看到當(dāng)器件Gate電壓Vgs從高變低后，器件的漏端電壓瞬時(shí)升高到雪崩電壓，擊穿器件，一直持續(xù)到電感能量在數(shù)微秒時(shí)間內(nèi)完全泄放完畢。

Test Condition:

L=0.50mH,Vd=40.0V,Vgon=10.0V,Vgoff=0.0V,

Rg=25ohm,TestMode=Mode2

（圖2）

雪崩泄放的總能量由以下公式可得知：

其中：

因?yàn)樵趯?shí)際的測(cè)試中，我們通常會(huì)固定L和VIN的值，所以我們只要通過(guò)不斷增大脈寬寬度TPulse，測(cè)得器件不損壞的最大雪崩耐量即為所測(cè)器件的EAS值。

重復(fù)雪崩耐量

圖3給出了重復(fù)雪崩測(cè)試的原理圖，對(duì)待測(cè)器件的Gate施加周期性開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)器件反復(fù)開(kāi)關(guān)，周期性對(duì)電感儲(chǔ)能，并通過(guò)器件雪崩釋放能量。對(duì)于重復(fù)雪崩，每次發(fā)生雪崩的能量要比EAS小很多，但重復(fù)累加的能量會(huì)比單脈沖雪崩多很多，所以芯片結(jié)溫和管殼溫度都會(huì)升高，當(dāng)芯片結(jié)溫達(dá)到Tjmax時(shí)，即為所測(cè)器件的EAR最大值。

（圖3）

三、雪崩擊穿的失效機(jī)理

雖然當(dāng)功率器件承受的雪崩耐量超過(guò)極限后，芯片都會(huì)發(fā)生損壞，但是單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩的失效機(jī)理卻并不相同。

在單脈沖雪崩發(fā)生時(shí)，持續(xù)的時(shí)間一般在微秒量級(jí)，我們發(fā)現(xiàn)由于熱容的存在，瞬時(shí)熱量不足以傳遞到芯片引線框和封裝體，所以雪崩擊穿位置的溫度會(huì)急劇上升，當(dāng)超過(guò)芯片內(nèi)部PN結(jié)極限溫度(約200℃)時(shí)，芯片會(huì)存在過(guò)熱擊穿損壞。單脈沖雪崩的極限溫度限制是PN結(jié)的熱擊穿溫度，而非器件手冊(cè)標(biāo)稱(chēng)的最高工作溫度Tjmax(150℃)。重復(fù)雪崩的失效機(jī)理主要有兩種，一種是重復(fù)雪崩過(guò)程中芯片結(jié)溫超過(guò)Tjmax而帶來(lái)的器件損壞；另一種表現(xiàn)為在重復(fù)雪崩老化過(guò)程中，由于熱載流子效應(yīng)而帶來(lái)的器件參數(shù)漂移，這是一個(gè)緩慢退化的過(guò)程，圖4，圖5給出了器件在雪崩擊穿后局部的損壞形貌。

（圖4）

（圖5）

四、如何在應(yīng)用中提升器件雪崩能力

雪崩耐量是功率器件關(guān)鍵指標(biāo)，我們以開(kāi)關(guān)電源舉例，在反激式開(kāi)關(guān)電源中一般都會(huì)配置RCD吸收回路來(lái)抑制雪崩發(fā)生（如圖6,圖7）。

（圖6）

（圖7）

RCD的工作過(guò)程，是當(dāng)MOS管導(dǎo)通，電壓流過(guò)變壓器初級(jí)線圈，對(duì)線圈充電，當(dāng)MOS管關(guān)閉后，電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，變壓器次級(jí)通過(guò)二極管輸出電壓，由于初級(jí)線圈有漏感，不能全部轉(zhuǎn)移到次級(jí)，多余的能量就會(huì)和電源電壓疊加，產(chǎn)生VDS尖峰電壓，尖峰電壓通過(guò)二極管對(duì)電容充電，在MOS再次導(dǎo)通時(shí)，電容上的電壓通過(guò)電阻放電，把多余的能量通過(guò)電阻消耗掉，RCD的一個(gè)工作周期完成，繼續(xù)循環(huán)下一個(gè)周期。

我們以開(kāi)關(guān)電源原邊側(cè)功率管的DRAIN波形為例（綠色），如圖8是未增加RCD回路的VDS尖峰波形，尖峰電壓596V，圖9為增加RCD回路的VDS尖峰波形，尖峰電壓560V,可以看到尖峰電壓有了明顯改善，整個(gè)系統(tǒng)的雪崩能力也得到了提高，可靠性大幅增強(qiáng)，所以我們選擇雪崩耐量?jī)?yōu)異的分立器件或與之匹配的吸收回路是與整個(gè)電源系統(tǒng)可靠性緊密相關(guān)的。

（圖8）

（圖9）