【導讀】在日常的電源設計中

，半導體開關器件的雪崩能力、V_DS電壓降額設計是工程師不得不麵對的問題，本文旨在分析半導體器件擊穿原理、失效機製，以及在設計應用中注意事項。

一
、半導體器件擊穿原理

PN結I-V曲線如圖[1]所示：

●  PN結正向導通，反向截止；

●  反向電壓超過一定限值V_BR
，器件發生電擊穿；

●  正向導通時，電流超過一定限值（圖示綠色區域之外），器件發生熱燒毀。

圖[1]：PN結I-V曲線

PN結的擊穿原理分為：電擊穿和熱擊穿（二次擊穿）。

1）電擊穿

電擊穿：指強電場導致器件的擊穿，過程通常是可逆的。當電壓消失
，器件電學特性恢複。電擊穿又分為：

a）雪崩倍增效應

雪崩倍增效應：（通常指電壓>6V時發生

，）原理如下：

圖[2]：PN結反偏示意圖

如圖[2]所示：在PN結兩端加反向電壓，隨著反向電壓增加
，PN結耗盡區反向電場增加，耗盡區中電子（或者空穴）從電場中獲得的能量增加。當電子（或者空穴）與晶格發生碰撞時傳遞給晶格的能量高於禁帶寬度能量（E_g），迫使被碰撞的價帶電子躍遷到導帶，從而產生一堆新的電子空穴對，該過程叫做碰撞電離；課本裏把一個自由電子（或者空穴）在單位距離內通過碰撞電離產生的新的電子空穴對的數目稱為電子（或者空穴）的碰撞電離率，表示為α_in(or α_ip)。

當耗盡區電場增加到一定程度，碰撞電離激發出的新電子-空穴對，即“二次載流子”，又可能繼續產生新的載流子，這個過程將不斷進行下去
，稱為雪崩倍增。如果由於雪崩倍增效應導致流出PN結的電流趨於無窮大
，則發生了所謂的雪崩擊穿

，該過程簡單示意如圖[3]所示。

圖[3]：雪崩擊穿示意圖

發生雪崩擊穿的條件是：

其物理意義是碰撞電離率在整個耗盡區積分趨於1。由於α_i隨電場的變化強相關（如圖[4]所示），因此可以近似的認為當耗盡區最大電場E_MAX達到某臨界電場E_c時
，即發生雪崩擊穿。E_c與結的形式和摻雜濃度有一定關聯，矽PN結典型值為E_c = 2×10⁵ V/cm。

圖[4]：電場的強相關函數圖

為了更好地理解PN結電場強度E_c隨耗盡區X_D的關係，我們在這裏簡單討論下泊鬆方程：在一維情況下（PN結/BJT）泊鬆方程的表達形式為：

等式右邊第一項“q”為電荷量

，介電常數“ε_s”為電通量密度與電場的映射關係，括號內表示自由離子的加和。從直觀來看，該式反映電場（或者電通量密度
，兩者從某種角度上可以理解為反映著同一種東西）的源是電荷
，如果是記公式：泊鬆方程表示的是，單位體積內對電通量密度（電位移）求散度，結果為體積內的電荷。除了從電磁學理論出發的分析
，該式從數學上也可以看成是：電場與位置的函數關係。通過解泊鬆方程
，便可以得到隨著位置變化時，電場
、電勢的變化情況。

接下來我們通過舉例來看擊穿電壓V_B與哪些因素相關：圖[5]所示為兩種摻雜濃度材料的E_c VS X_d曲線關係（其中
，N1>N2）。

圖[5]不同摻雜濃度E_c VS X_d曲線關係

分析該圖可知：

1. 禁帶寬度E_g越大

，則擊穿電壓V_B越高
；比如Si (E_g=1.12 eV) VS SiC (E_g=3.23 eV)

2. 摻雜濃度越低，V_B越高；

3. 擊穿電壓主要取決於低摻雜一側，該側的雜質濃度越低，則V_B越高。

除了上述方法可以提高擊穿電壓V_B，還可以通過增加電場維度
，改變電場強度分布（如圖[6]、圖[7]所示）：比如英飛淩的CoolMOS^TM係列產品，通過在N-耗盡區摻入P柱結構（引入橫向電場分布），大幅提高V_B。這裏不再贅述其機理，感興趣的讀者可在英飛淩官網查閱相關文獻資料。

圖[6]SJ MOSFET剖麵示意圖

圖[7]SJ MOSFET內部電場仿真示意圖

綜上所述

，PN結的雪崩擊穿電壓V_BR還與PN結結溫（T_j）呈現正相關性（如圖[8]）：

圖[8]：IPL65R065CFD7 V_BR(DSS) VS T_j

其主要原因是：隨著溫度升高
，晶格振動加劇
，價帶電子躍遷到導帶需要的能量E_g更高，因此需要更強的電場。

b）隧道效應

隧道效應又稱為齊納擊穿、隧道穿通，（一般發生在擊穿電壓V_B<4V時，）其原理如下：

圖[9] P⁺N⁺結電壓反偏示意圖

將兩塊重摻雜的P⁺、N⁺半導體材料結合在一起，由於耗盡區兩側P⁺ 
、N⁺載流子濃度更高，因此形成耗盡區寬度，較普通PN結更薄
，耗盡區帶電離子濃度更高，內建電場E_b更強。當在PN結兩端加反向偏壓如圖[9]所示

，該電壓產生的電場與內建電場同向疊加，當耗盡區電場強度＞300kV/cm時，電子空穴對在電場力的作用下掙脫原子核束縛，自由的穿過耗盡區
，形成電流。顧名思義：叫做隧穿效應，該過程微觀過程如圖[10]所示。當PN結兩端反向電壓進一步增加時
，流過PN結電流增加，電壓基本保持不變。齊納二極管（穩壓二極管）即是利用該效應製作的一種穩壓元器件。

圖[10] 隧穿效應示意圖

由於隧穿效應的導電離子是來自於掙脫原子核束縛的電子（或者空穴），因此

，隨著溫度的升高，PN結內部產生熱電子濃度增加，進而導致擊穿電壓V_B降低，使得宏觀上擊穿電壓V_B呈現負溫度特性。該過程微觀示意如圖[11]。

圖[11] 隧穿效應VS溫度示意圖

在這裏簡單的對兩種電壓擊穿做對比總結以方便讀者記憶：

2）熱擊穿（二次擊穿）

熱擊穿（二次擊穿）指器件由於過電壓、過(guo)電(dian)流(liu)導(dao)致(zhi)的(de)損(sun)壞(huai)，結(jie)果(guo)不(bu)可(ke)逆(ni)。通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)是(shi)先(xian)發(fa)生(sheng)了(le)電(dian)擊(ji)穿(chuan)，產(chan)生(sheng)的(de)高(gao)壓(ya)大(da)電(dian)流(liu)沒(mei)有(you)得(de)到(dao)及(ji)時(shi)控(kong)製(zhi)，進(jin)一(yi)步(bu)導(dao)致(zhi)過(guo)熱(re)使(shi)得(de)器(qi)件(jian)發(fa)生(sheng)燒(shao)毀(hui)。

二、設計應用注意事項

通過以上分析，我們可以得出結論：對於矽材料的半導體功率器件（碳化矽材料器件由於其原理
、結(jie)構(gou)與(yu)矽(gui)材(cai)料(liao)相(xiang)似(si)

，因(yin)此(ci)有(you)著(zhe)相(xiang)似(si)的(de)物(wu)理(li)規(gui)律(lv)，這(zhe)裏(li)不(bu)再(zai)做(zuo)分(fen)析(xi)，氮(dan)化(hua)镓(jia)器(qi)件(jian)由(you)於(yu)其(qi)器(qi)件(jian)結(jie)構(gou)與(yu)傳(chuan)統(tong)矽(gui)差(cha)別(bie)較(jiao)大(da)，因(yin)此(ci)不(bu)具(ju)備(bei)類(lei)似(si)的(de)規(gui)律(lv)
，後(hou)續(xu)文(wen)章(zhang)可(ke)以(yi)涉(she)及(ji)
，敬(jing)請(qing)關(guan)注(zhu)），在驅動電壓V_gs可控的情況下，主要失效模式兩種：

一種是：過(guo)電(dian)壓(ya)應(ying)力(li)導(dao)致(zhi)器(qi)件(jian)發(fa)生(sheng)雪(xue)崩(beng)，雪(xue)崩(beng)過(guo)程(cheng)本(ben)身(shen)是(shi)可(ke)逆(ni)的(de)
，但(dan)如(ru)果(guo)由(you)於(yu)雪(xue)崩(beng)行(xing)為(wei)沒(mei)有(you)被(bei)及(ji)時(shi)控(kong)製(zhi)
，導(dao)致(zhi)器(qi)件(jian)出(chu)現(xian)過(guo)熱(re)
，進(jin)一(yi)步(bu)導(dao)致(zhi)器(qi)件(jian)封(feng)裝(zhuang)燒(shao)毀(hui)
、bonding材料或者結構毀壞、甚至芯片半導體結構損壞，該過程不可逆。

第二種是：過電流應力導致器件溫升超過其極限值，進一步導致器件封裝燒毀

、bonding材料或者結構損壞、甚至芯片半導體結構破壞，該過程亦不可逆。

因此
，我們在設計使用半導體功率器件電路時，必須嚴格的遵照相關的標準（例如IPC9592B-2012），規gui範fan化hua降jiang額e設she計ji
，以yi保bao證zheng產chan品pin在zai整zheng個ge生sheng命ming周zhou期qi內nei
，半ban導dao體ti器qi件jian可ke以yi運yun行xing在zai規gui格ge書shu的de範fan圍wei內nei
，以yi顯xian著zhu降jiang低di產chan品pin的de失shi效xiao率lv。更geng多duo的de關guan於yu半ban導dao體ti器qi件jian雪xue崩beng設she計ji應ying用yong指zhi南nan請qing參can考kao英ying飛fei淩ling應ying用yong筆bi記ji：AN_201611_PL11_002，本文不再贅述。

後記

隨著半導體產業競爭趨於白熱化，在半導體器件設計中，一個不爭的事實：對於相同的技術下，R_ds(on)越yue小xiao
，芯xin片pian尺chi寸cun越yue大da，器qi件jian熱re阻zu越yue小xiao
，抗kang雪xue崩beng能neng力li越yue強qiang。但dan是shi對dui於yu半ban導dao體ti器qi件jian來lai講jiang，並bing不bu是shi芯xin片pian尺chi寸cun越yue大da越yue好hao，更geng大da的de尺chi寸cun意yi味wei著zhe更geng大da的de寄ji生sheng參can數shu
，更geng大da的de開kai關guan損sun耗hao
，因yin此ci限xian製zhi了le電dian源yuan朝chao著zhe高gao頻pin高gao密mi的de方fang向xiang發fa展zhan以yi進jin一yi步bu降jiang低di係xi統tong成cheng本ben。因yin此ci
，在zai設she計ji器qi件jian過guo程cheng中zhong，需xu要yao綜zong合he性xing的de權quan衡heng各ge項xiang參can數shu
，以yi設she計ji出chu綜zong合he能neng力li更geng全quan麵mian的de產chan品pin。英ying飛fei淩ling公gong司si作zuo為wei全quan球qiu功gong率lv器qi件jian的de領ling頭tou羊yang，一yi直zhi致zhi力li於yu設she計ji更geng全quan麵mian的de產chan品pin以yi完wan成cheng其qi“低碳化”的使命！

參考文獻：

[1]. 功率器件發展趨勢及前緣介紹 – 鄭敏


，電子科技大學

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

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[5]. 微納電子與智能製造– 張波，章文通，蒲鬆
，喬明

，李肇基

[6]. 微電子器件– 陳星弼，陳勇
，劉繼芝，任敏， 北京：電子工業出版社

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

作者：熊康明，英飛淩電源與傳感係統事業部 主任工程師

          柯春山，英飛淩電源與傳感係統事業部 高級主任工程師

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