MOSFET雪崩击穿和热载流子注入效应, 及其导致的的元件特性永久改变...
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发布时间：2024-09-25 16:40
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时间：2024-10-03 05:51
如左图，正弦波被“削顶”钳位，可以通过示波器进行测量判断是否发生雪崩。
如果雪崩能量足够大，MOSFET会立即失效，如果雪崩能量不足以导致立即失效，重复雪崩也有可能会带来可靠性的风险，下文会说明。
MOSFET的规格书中都会定义容许的雪崩能量，并且很容易在规格书中找到，如Infineon的某个产品的datasheet：
图表中通常也有雪崩电流IAV的曲线图：
下图是一个典型的雪崩测试方法：
先将MOSFET导通对电感L进行充电到达一定的电流值之后，将MOSFET关断，L的能量转移到MOSFET的寄生电容Coss，Drain-Source电压持续上升直到雪崩击穿。
需要值得注意的是，各个厂家在定义雪崩容许能量的时候，是基于他们各自的测试条件下（电感量，电流等）获得的。
如上面的Infineon的MOSFET定义的雪崩能量是在50A的雪崩电流（电感未知）的情况下测试的，而另一款On Semi的同等产品则是在完全不同的条件测试的：
那么可以直接比较参数，能说On Semi这款产品比Infineon的雪崩能力更强吗？显然是不行的。
即使是相同的MOSFET，把它放在不同条件下进行测试，所得到的雪崩容许能量可能是不同的，通常雪崩电流越小，可容许的雪崩能量就会越大（Die温度上升速度慢），此外还受到环境温度的影响等。
因此不同厂家所定义的雪崩容许能量在一般情况下并不能直接横向比较，也不能保证在实际应用场景中，在此能量下工作一定没有可靠性问题，这一点要注意。
雪崩电压一般是MOSFET定义的Drain-source breakdown voltage (BVDSS)的110%～150%之间，击穿电压具有正温度特性。
还有一点非常有趣，可能你也留意到了，在定义雪崩能量时，通常都会有一个备注：Single pluse。这就引出了我们的第二个话题：热载流子注入(Hot Carrier Injection)。
先说说什么是热载流子注入：
载流子指半导体中带负电的自由电子和带正电的自由空穴。
热载流子(Hot Carrier)，并不是载流子真的很“热”，而是指其有很大的动能。当载流子从外界获得了很大能量时，即可成为热载流子。例如在强电场作用下，载流子沿着电场方向不断漂移，不断加速，即可获得很大的动能，从而可成为热载流子。
当热载流子具有足够的能量，就能突破垒势的约束，进入栅氧化层，改变了MOSFET本身的物理结构，MOSFET的特性因此会被永久性的改变。
重复的雪崩会带来一个明确的风险：MOSFET参数会发生变化并且超出原始规格所定义的范围。
Above statement translated from Infineon application note
雪崩工作时施加在Drain-Source之间的高电压（强电场）给热载流子的产生提供了条件，重复的雪崩可能会导致热载流子注入效应的累积。
随着时间推移，热载流子注入累积会逐渐导致：
下图是MOSFET RDSon随着重复雪崩次数增加而增大的实测结果，RDSon在经历一定的雪崩次数之后开始漂移（degradation）：
因此除了上文提到的雪崩会导致立即失效的风险之外, 因其引起的热载流子注入效应导致的MOSFET参数偏移，也会使得产品即使通过了出厂老化和测试，也会有在终端发生短期或长期失效的风险（低于预期服务寿命）。
1. 正确设计以保证VDS参数在额定范围之内，不要将MOSFET设计到雪崩工作区，并且能根据工业标准满足一定的降额，如IPC-9592B所定义:
2. 如果雪崩实在不可避免，那就不要发生重复的雪崩，雪崩只发生在边界工况下，如短路，故障等，在datasheet容许范围内满足一定的降额，并且和MOSFET厂家确认。
3. 如果重复雪崩也不可避免，当然也有些MOSFET是可在此场合下工作的，需要确认在产品的服务生命周期内，雪崩的能量和次数在容许的范围之内，设计保证可以容忍因此带来MOSFET特性变化，并且和MOSFET厂家确认。
像开关电源这种高频产品，不可以在稳态工作时持续发生重复雪崩。
4. 选择合适的设备和工具（适当的测试带宽和采样率），正确的测试方法，正确的测试条件，在设计定型后对MOSFET的应力进行测量，确保实物达到设计预期。
5. 进行Demonstrated MTBF加速寿命测试，选择合适的信心度（confidence level）以决定样本数，测试时间和测试条件，完成测试后对比前后的电性能差异。
