半导体器件击穿机理分析及设计注意事项@@

judy -- 周二@@@@, 08/29/2023 - 11:55

作者@@：

熊康明@@，英飞凌电源与传感系统事业部@@ 主任工程师@@

柯春山@@，英飞凌电源与传感系统事业部@@ 高级主任工程师@@@@

在@@日常的电源设计@@中@@，半导体开关器件的雪崩能力@@、VDS电压降额设计是工程师不得不面对的问题@@，本文旨在@@分析半导体器件击穿原理@@@@@@、失效机制@@，以及在@@设计应用中注意事项@@。

一@@、半导体器件击穿原理@@@@

PN结@@I-V曲线@@如图@@@@@@[1]所示@@：

  • PN结@@正向导通@@，反向截止@@；
  • 反向电压超过一@@定限值@@VBR，器件发生电击穿@@@@；
  • 正向导通时@@@@，电流超过一@@定限值@@（图@@示绿色区域之外@@），器件发生热烧毁@@。

    • 图@@[1]：PN结@@I-V曲线@@

    PN结@@的击穿原理@@分为@@：电击穿@@和热击穿@@@@（二@@次击穿@@）。

    1）电击穿@@

    电击穿@@：指强电场@@导致器件的击穿@@，过程通常是可逆的@@。当@@电压消失@@，器件电学特性恢复@@。电击穿@@又分为@@：

    a）雪崩倍增效应@@

    雪崩倍增效应@@：（通常指电压@@>6V时@@发生@@，）原理如下@@：

    图@@[2]：PN结@@反偏示意图@@@@

    如图@@@@[2]所示@@：在@@PN结@@两端加反向电压@@，随着反向电压增加@@，PN结@@耗尽区反向电场@@增加@@，耗尽区中电子@@@@（或@@者空穴@@）从电场@@中获得的能量增加@@。当@@电子@@@@（或@@者空穴@@）与晶格发生碰撞时@@传递给晶格的能量高于禁带宽度@@能量@@（Eg），迫使被碰撞的价带电子@@跃迁到导带@@，从而产生一@@堆新的电子@@空穴对@@@@，该过程叫做碰撞电离@@；课本里把一@@个自由电子@@@@（或@@者空穴@@）在@@单位距离内通过碰撞电离产生的新的电子@@空穴对@@的数目称为电子@@@@（或@@者空穴@@）的碰撞电离率@@，表示为@@αin(or αip)。

    当@@耗尽区电场@@增加到一@@定程度@@，碰撞电离激发出的新电子@@@@-空穴对@@，即@@“二@@次载流子@@”，又可能继续产生新的载流子@@，这个过程将不断进行下去@@，称为雪崩倍增@@。如果由于@@雪崩倍增效应@@导致流出@@PN结@@的电流趋于无穷大@@，则@@发生了所谓的雪崩击穿@@，该过程简单示意如图@@@@@@[3]所示@@。

    图@@[3]：雪崩击穿示意图@@@@

    发生雪崩击穿的条件是@@：

    其物理意义是碰撞电离率在@@整个耗尽区积分趋于@@1。由于@@αi随电场@@的变化强相关@@（如图@@@@[4]所示@@），因此@@可以近似的认为当@@耗尽区最大电场@@@@EMAX达到某临界电场@@@@Ec时@@，即@@发生雪崩击穿@@。Ec与结@@的形式和掺杂浓度有一@@定关联@@，硅@@PN结@@典型值为@@Ec = 2×105 V/cm。

    图@@[4]：电场@@的强相关函数图@@@@

    为了更好地理解@@PN结@@电场@@强度@@Ec随耗尽区@@XD的关系@@，我们在@@这里简单讨论下泊松方程@@：在@@一@@维情况下@@（PN结@@/BJT）泊松方程的表达形式为@@：

    等式右边第一@@项@@“q”为电荷量@@，介电常数@@“εs”为电通量密度与电场@@的映射关系@@，括号内表示自由离子的加和@@。从直观来看@@，该式反映电场@@@@（或@@者电通量密度@@，两者从某种角度上可以理解为反映着同一@@种东西@@）的源是电荷@@，如果是记公式@@：泊松方程表示的是@@，单位体积内对电通量密度@@（电位移@@）求散度@@，结@@果为体积内的电荷@@。除了从电磁学理论出发的分析@@，该式从数学上也可以看成是@@：电场@@与位置的函数关系@@。通过解泊松方程@@，便可以得到随着位置变化时@@@@，电场@@、电势的变化情况@@。

    接下来我们通过举例来看击穿电压@@VB与哪些因素相关@@：图@@[5]所示@@为两种掺杂浓度材料的@@Ec VS Xd曲线@@关系@@（其中@@，N1>N2）。

    图@@[5]不同掺杂浓度@@Ec VS Xd曲线@@关系@@

    分析该图@@可知@@：

    1. 禁带宽度@@Eg越大@@，则@@击穿电压@@VB越高@@；比如@@Si (Eg=1.12 eV) VS SiC (Eg=3.23 eV)

    2. 掺杂浓度越低@@，VB越高@@；

    3. 击穿电压主要取决于低掺杂一@@侧@@，该侧的杂质浓度越低@@，则@@VB越高@@。

    除了上述方法可以提高@@击穿电压@@VB，还可以通过增加电场@@维度@@，改变电场@@强度分布@@（如图@@@@[6]、图@@[7]所示@@）：比如@@英飞凌的@@CoolMOSTM系列产品@@，通过在@@@@N-耗尽区掺入@@P柱结@@构@@（引入横向电场@@分布@@），大幅提高@@@@VB。这里不再赘述其机理@@，感兴趣的读者可在@@英飞凌官网@@查阅相关文献资料@@。

    图@@[6]SJ MOSFET剖面示意图@@@@

    图@@[7]SJ MOSFET内部电场@@仿真示意图@@@@

    综上所述@@，PN结@@的雪崩击穿电压@@VBR还与@@PN结@@结@@温@@（Tj）呈现正相关性@@（如图@@@@[8]）：

    图@@[8]：IPL65R065CFD7 VBR(DSS) VS Tj

    其主要原因是@@：随着温度升高@@，晶格振动加剧@@，价带电子@@跃迁到导带需要的能量@@Eg更高@@，因此@@需要更强@@的电场@@@@。

    b）隧道效应@@

    隧道效应@@又称为齐纳击穿@@、隧道穿通@@，（一@@般发生在@@击穿电压@@VB<4V时@@，）其原理如下@@@@：

    图@@[9] P+N+结@@电压反偏示意图@@@@

    将两块重掺杂的@@P+、N+半导体材料结@@合在@@一@@起@@，由于@@耗尽区两侧@@P+ 、N+载流子浓度更高@@@@，因此@@形成耗尽区宽度@@，较普通@@PN结@@更薄@@，耗尽区带电离子浓度更高@@@@，内建电场@@@@Eb更强@@。当@@在@@@@PN结@@两端加反向偏压如图@@@@@@[9]所示@@，该电压产生的电场@@与内建电场@@@@同向叠加@@，当@@耗尽区电场@@强度@@＞300kV/cm时@@，电子@@空穴对@@在@@电场@@力的作用下挣脱原子核束缚@@，自由的穿过耗尽区@@，形成电流@@。顾名思义@@：叫做隧穿效应@@@@，该过程微观过程如图@@@@@@[10]所示@@。当@@PN结@@两端反向电压进一@@步增加时@@@@，流过@@PN结@@电流增加@@，电压基本保持不变@@。齐纳二@@极管@@（稳压二@@极管@@）即@@是利用该效应制作的一@@种稳压元器件@@。

    图@@[10] 隧穿效应@@示意图@@@@

    由于@@隧穿效应@@的导电离子是来自于挣脱原子核束缚的电子@@@@（或@@者空穴@@），因此@@，随着温度的升高@@，PN结@@内部产生热电子@@浓度增加@@，进而导致击穿电压@@VB降低@@，使得宏观上击穿电压@@VB呈现负温度特性@@。该过程微观示意如图@@@@@@[11]。

    图@@[11] 隧穿效应@@VS温度示意图@@@@

    在@@这里简单的对两种电压击穿做对比总结@@以方便读者记忆@@：

    2）热击穿@@（二@@次击穿@@）

    热击穿@@（二@@次击穿@@）指器件由于@@过电压@@、过电流导致的损坏@@，结@@果不可逆@@。通常情况下是先发生了电击穿@@@@，产生的高压大电流没有得到及时@@控制@@，进一@@步导致过热使得器件发生烧毁@@。

    二@@、设计应用注意事项@@

    通过以上分析@@，我们可以得出结@@论@@：对于硅@@材料的半导体功率@@器件@@（碳化硅@@材料器件由于@@其原理@@、结@@构与硅@@材料相似@@，因此@@有着相似的物理规律@@，这里不再做分析@@，氮化镓器件由于@@其器件结@@构与传统硅@@差别较大@@，因此@@不具备@@类似的规律@@，后续文章可以涉及@@，敬请关注@@），在@@驱动电压@@Vgs可控的情况下@@，主要失效模式两种@@：

    一@@种是@@：过电压应力导致器件发生雪崩@@，雪崩过程本身是可逆的@@，但如果由于@@雪崩行为没有被及时@@控制@@，导致器件出现过热@@，进一@@步导致器件封装烧毁@@、bonding材料或@@者结@@构毁坏@@、甚至芯片半导体结@@构损坏@@，该过程不可逆@@。

    第二@@种是@@：过电流应力导致器件温升超过其极限值@@，进一@@步导致器件封装烧毁@@、bonding材料或@@者结@@构损坏@@、甚至芯片半导体结@@构破坏@@，该过程亦不可逆@@。

    因此@@，我们在@@设计使用半导体功率@@器件电路时@@@@，必须严格的遵照相关的标准@@（例如@@IPC9592B-2012），规范化降额设计@@，以保证产品在@@整个生命周期内@@，半导体器件可以运行在@@规格书的范围内@@，以显著降低@@产品的失效率@@。更多的关于半导体器件雪崩设计应用指南请参考英飞凌应用笔记@@：AN_201611_PL11_002，本文不再赘述@@。

    后记@@

    随着半导体产业竞争趋于白热化@@，在@@半导体器件设计中@@，一@@个不争的事实@@：对于相同的技术@@下@@，Rds(on)越小@@，芯片尺寸越大@@@@，器件热阻越小@@@@，抗雪崩能力越强@@。但是对于半导体器件来讲@@，并不是芯片尺寸越大@@@@越好@@，更大的尺寸意味着更大的寄生参数@@，更大的开关损耗@@，因此@@限制了电源朝着高频高密的方向发展以进一@@步降低@@系统成本@@。因此@@，在@@设计器件过程中@@，需要综合性的权衡各项参数@@，以设计出综合能力更全面的产品@@。英飞凌公司作为全球功率@@器件的领头羊@@，一@@直致力于设计更全面的产品以完成其@@“低碳化@@”的使命@@！

    参考文献@@：

    [1]. 功率@@器件发展趋势及前缘介绍@@ – 郑敏@@，电子@@科技大学@@

    [2]. Avalanche Breakdown and Zener Breakdown Effect Explained – allaboutelectronics, YouTube

    [3]. AN-1005 - 功率@@MOSFET 雪崩设计指南@@–Tim McDonald、Marco Soldano、Anthony Murray、Teodor Avram，国际整流器@@

    [4]. AN_201611_PL11_002 – 雪崩相关重要事实@@，Infineon AG Technologies

    [5]. 微纳电子@@与智能制造@@– 张波@@，章文通@@，蒲松@@，乔明@@，李肇基@@

    [6]. 微电子@@器件@@– 陈星弼@@，陈勇@@，刘继芝@@，任敏@@， 北京@@：电子@@工业出版社@@

    [7]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/401288463

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