MOS管雪崩击穿现象及其原因分析

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MOS管雪崩击穿现象及其原因分析

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http://www.pdmos.com/news/20241029142.html

MOS管（金属氧化物半导体场效应晶体管）在现代电力电子设备中扮演着关键角色，广泛应用于开关电源、电机驱动和功率转换等领域。然而，当MOS管在实际工作中面临过电压或电流冲击时，可能会发生一种被称为“雪崩击穿”的现象。这一现象不仅会导致器件失效，还可能引发电路故障，甚至造成设备损坏。本文将深入探讨MOS管雪崩击穿的原因及其机制，帮助读者更好地理解这一现象。

什么是雪崩击穿？

雪崩击穿是指在反向偏置电压过高时，PN结内的电场强度达到某一临界值，使得载流子获得足够能量通过碰撞电离产生新的电子-空穴对。这些新生的电子和空穴又在强电场作用下进一步加速并再次碰撞产生更多的电子-空穴对，如此循环往复形成链式反应。这种效应就像雪山上的积雪滚落一样逐渐积累放大，最终导致电流急剧增加而失去控制。

雪崩击穿的原因分析

材料与工艺因素

掺杂浓度：N型或P型半导体材料的掺杂水平直接影响其耐压能力。过高或过低的掺杂都会导致更容易发生雪崩击穿。
晶体缺陷：制造过程中引入的点缺陷、位错等微观缺陷会在局部形成高电场区域，降低雪崩击穿阈值。
表面态密度：不良的表面处理会导致表面态增多，增加表面漏电风险，从而诱发早期雪崩击穿。

结构设计因素

PN结面积：较大的PN结面积有利于分散电场强度，延缓雪崩击穿的发生。
结深宽比：PN结的深度与宽度比例应适当优化，避免因结构不均匀导致的局部高电场。
电极布局：合理的源极、漏极和栅极布局可以有效减小寄生电容和电阻，降低异常电压降。

外部工作条件

温度：高温条件下，半导体材料的禁带宽度减小，离子化能降低，更容易发生碰撞电离。
电压应力：持续的高电压应力会加速晶格振动和热激活过程，促进雪崩击穿。
机械应力：外力作用可能引起晶体结构变形，进而改变内部电场分布，增加击穿风险。

实例分析

以某型号N沟道增强型MOSFET为例，当栅极电压为固定值时，逐步增加漏极电压直至发生雪崩击穿。通过监测漏极电流ID与时间的关系曲线（如图），可以观察到典型的雪崩击穿特性：一开始漏极电流随电压增加缓慢上升；接近击穿点时，电流迅速增长并出现负阻效应；最终达到一个稳定的饱和电流水平。此过程中的关键参数如饱和电流Is、跨导gfs以及输出电导go等均能反映出器件的雪崩性能。

从微观角度来看，雪崩击穿的实质是价带电子在强电场作用下跃迁至导带成为自由电子，并在空间电荷区形成大量额外的电子-空穴对。这些新产生的载流子进一步增强了局部电流密度，加剧了电场集中效应，最终导致整个器件失效。值得注意的是，一旦发生雪崩击穿，即使撤除外加电压也往往无法恢复原状，表明这是一种不可逆的破坏性过程。