電晶體｜評估篇
什麼是雪崩崩潰失效
2023.04.12
重點
・當向MOSFET外加高於絕對最大額定值BVDSS的電壓時，會造成擊穿並引發雪崩崩潰擊穿。
・發生雪崩崩潰擊穿時，會流過大電流，存在MOSFET失效的危險。
・MOSFET雪崩崩潰失效包括短路造成的失效和熱量造成的失效。
什麼是雪崩崩潰擊穿
當向MOSFET外加高於絕對最大額定值BVDSS的電壓時，就會發生擊穿。當外加高於BVDSS的高電場時，自由電子被加速並帶有很大的能量。這會導致碰撞電離，從而產生電子-空穴對。這種電子-空穴對呈崩潰式增加的現象稱為“雪崩崩潰擊穿”。在這種雪崩崩潰擊穿期間，與 MOSFET內部二極體電流呈反方向流動的電流稱為“雪崩崩潰電流IAS”，參見下圖（1）。
MOSFET的雪崩崩潰失效電流路徑示意圖（紅色部分）
雪崩崩潰失效：短路造成的失效
如上圖所示，IAS會流經MOSFET的基極寄生電阻RB。此時，寄生雙極電晶體的基極和射極之間會產生電位差VBE，如果該電位差較大，則寄生雙極電晶體可能會變為導通狀態。一旦這個寄生雙極電晶體導通，就會流過大電流，MOSFET可能會因短路而失效。
雪崩崩潰失效：熱量造成的失效
在雪崩崩潰擊穿期間，不僅會發生由雪崩崩潰電流導致寄生雙極電晶體誤導通而造成的短路和損壞，還會發生由傳導損耗帶來的熱量造成的損壞。如前所述，當MOSFET處於擊穿狀態時會流過雪崩崩潰電流。在這種狀態下，BVDSS被外加到MOSFET並且流過雪崩崩潰電流，它們的乘積成為功率損耗。這種功率損耗稱為“雪崩崩潰能量EAS”。雪崩崩潰測試電路及其測試結果的波形如下圖所示。此外，雪崩崩潰能量可以透過公式（1）來表示。
雪崩崩潰測試的電路圖
雪崩崩潰測試中MOSFET的電壓和電流波形
雪崩崩潰能量公式
一般情況下，有抗雪崩崩潰保證的MOSFET，在其規格書中會規定IAS和EAS的絕對最大額定值，因此可以透過規格書來瞭解詳細的值。在有雪崩崩潰電流流動的工作環境中，需要把握IAS和EAS的實際值，並在絕對最大額定值範圍內使用。
引發雪崩崩潰擊穿的例子包括返馳式轉換器中的MOSFET關斷時的返馳電壓和寄生電感引起的突波電壓等。針對返馳電壓引起的雪崩崩潰擊穿，對策包括在設計電路時採用降低返馳電壓的設計或使用具有更高耐壓性能的MOSFET。而針對寄生電感引起的雪崩崩潰擊穿，改用引腳更短的封裝的MOSFET或改善電路板佈局以降低寄生電感等都是比較有效的措施。