半導體器件擊穿機理分析及設計注意事項

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面對的問題，本文旨在分析半導體器件擊穿原理、失效機制，以及在設計應用中注意事項。

一、半導體器件擊穿原理

PN結(jié)I-V曲線如圖[1]所示：

●  PN結(jié)正向?qū)ǎ聪蚪刂梗?/p>

●  反向電壓超過一定限值V_BR，器件發(fā)生電擊穿；

●  正向?qū)〞r，電流超過一定限值（圖示綠色區(qū)域之外），器件發(fā)生熱燒毀。

圖[1]：PN結(jié)I-V曲線

PN結(jié)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，器件電學特性恢復。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(fā)生，）原理如下：

圖[2]：PN結(jié)反偏示意圖

如圖[2]所示：在PN結(jié)兩端加反向電壓，隨著反向電壓增加，PN結(jié)耗盡區(qū)反向電場增加，耗盡區(qū)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(fā)生碰撞時傳遞給晶格的能量高于禁帶寬度能量（E_g），迫使被碰撞的價帶電子躍遷到導帶，從而產(chǎn)生一堆新的電子空穴對，該過程叫做碰撞電離；課本里把一個自由電子（或者空穴）在單位距離內(nèi)通過碰撞電離產(chǎn)生的新的電子空穴對的數(shù)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(qū)電場增加到一定程度，碰撞電離激發(fā)出的新電子-空穴對，即“二次載流子”，又可能繼續(xù)產(chǎn)生新的載流子，這個過程將不斷進行下去，稱為雪崩倍增。如果由于雪崩倍增效應導致流出PN結(jié)的電流趨于無窮大，則發(fā)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(fā)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(qū)積分趨于1。由于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(qū)最大電場E_MAX達到某臨界電場E_c時，即發(fā)生雪崩擊穿。E_c與結(jié)的形式和摻雜濃度有一定關聯(lián)，硅PN結(jié)典型值為E_c = 2×10⁵ V/cm。

圖[4]：電場的強相關函數(shù)圖

為了更好地理解PN結(jié)電場強度E_c隨耗盡區(qū)X_D的關系，我們在這里簡單討論下泊松方程：在一維情況下（PN結(jié)/BJT）泊松方程的表達形式為：

等式右邊第一項“q”為電荷量，介電常數(shù)“ε_s”為電通量密度與電場的映射關系，括號內(nèi)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：泊松方程表示的是，單位體積內(nèi)對電通量密度（電位移）求散度，結(jié)果為體積內(nèi)的電荷。除了從電磁學理論出發(fā)的分析，該式從數(shù)學上也可以看成是：電場與位置的函數(shù)關系。通過解泊松方程，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曲線關系（其中，N1>N2）。

圖[5]不同摻雜濃度E_c VS X_d曲線關系

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. 擊穿電壓主要取決于低摻雜一側(cè)，該側(cè)的雜質(zhì)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）：比如英飛凌的CoolMOS^TM系列產(chǎn)品，通過在N-耗盡區(qū)摻入P柱結(jié)構(gòu)（引入橫向電場分布），大幅提高V_B。這里不再贅述其機理，感興趣的讀者可在英飛凌官網(wǎng)查閱相關文獻資料。

圖[6]SJ MOSFET剖面示意圖

圖[7]SJ MOSFET內(nèi)部電場仿真示意圖

綜上所述，PN結(jié)的雪崩擊穿電壓V_BR還與PN結(jié)結(jié)溫（T_j）呈現(xiàn)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(fā)生在擊穿電壓V_B<4V時，）其原理如下：

圖[9] P⁺N⁺結(jié)電壓反偏示意圖

將兩塊重摻雜的P⁺、N⁺半導體材料結(jié)合在一起，由于耗盡區(qū)兩側(cè)P⁺ 、N⁺載流子濃度更高，因此形成耗盡區(qū)寬度，較普通PN結(jié)更薄，耗盡區(qū)帶電離子濃度更高，內(nèi)建電場E_b更強。當在PN結(jié)兩端加反向偏壓如圖[9]所示，該電壓產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場同向疊加，當耗盡區(qū)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(qū)，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(jié)兩端反向電壓進一步增加時，流過PN結(jié)電流增加，電壓基本保持不變。齊納二極管（穩(wěn)壓二極管）即是利用該效應制作的一種穩(wěn)壓元器件。

圖[10] 隧穿效應示意圖

由于隧穿效應的導電離子是來自于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(jié)內(nèi)部產(chǎn)生熱電子濃度增加，進而導致?lián)舸╇妷篤_B降低，使得宏觀上擊穿電壓V_B呈現(xiàn)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

在這里簡單的對兩種電壓擊穿做對比總結(jié)以方便讀者記憶：

2）熱擊穿（二次擊穿）

熱擊穿（二次擊穿）指器件由于過電壓、過電流導致的損壞，結(jié)果不可逆。通常情況下是先發(fā)生了電擊穿，產(chǎn)生的高壓大電流沒有得到及時控制，進一步導致過熱使得器件發(fā)生燒毀。

二、設計應用注意事項

通過以上分析，我們可以得出結(jié)論：對于硅材料的半導體功率器件（碳化硅材料器件由于其原理、結(jié)構(gòu)與硅材料相似，因此有著相似的物理規(guī)律，這里不再做分析，氮化鎵器件由于其器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)硅差別較大，因此不具備類似的規(guī)律，后續(xù)文章可以涉及，敬請關注），在驅(qū)動電壓V_gs可控的情況下，主要失效模式兩種：

一種是：過電壓應力導致器件發(fā)生雪崩，雪崩過程本身是可逆的，但如果由于雪崩行為沒有被及時控制，導致器件出現(xiàn)過熱，進一步導致器件封裝燒毀、bonding材料或者結(jié)構(gòu)毀壞、甚至芯片半導體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損壞、甚至芯片半導體結(jié)構(gòu)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(guī)范化降額設計，以保證產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)，半導體器件可以運行在規(guī)格書的范圍內(nèi)，以顯著降低產(chǎn)品的失效率。更多的關于半導體器件雪崩設計應用指南請參考英飛凌應用筆記：AN_201611_PL11_002，本文不再贅述。

后記

隨著半導體產(chǎn)業(yè)競爭趨于白熱化，在半導體器件設計中，一個不爭的事實：對于相同的技術(shù)下，R_ds(on)越小，芯片尺寸越大，器件熱阻越小，抗雪崩能力越強。但是對于半導體器件來講，并不是芯片尺寸越大越好，更大的尺寸意味著更大的寄生參數(shù)，更大的開關損耗，因此限制了電源朝著高頻高密的方向發(fā)展以進一步降低系統(tǒng)成本。因此，在設計器件過程中，需要綜合性的權(quán)衡各項參數(shù)，以設計出綜合能力更全面的產(chǎn)品。英飛凌公司作為全球功率器件的領頭羊，一直致力于設計更全面的產(chǎn)品以完成其“低碳化”的使命！

參考文獻：

[1]. 功率器件發(fā)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

[3]. AN-1005 - 功率MOSFET 雪崩設計指南–Tim McDonald、Marco Soldano、Anthony Murray、Teodor Avram，國際整流器

[4]. AN_201611_PL11_002 – 雪崩相關重要事實，Infineon AG Technologies

[5]. 微納電子與智能制造– 張波，章文通，蒲松，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(yè)出版社

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

作者：熊康明，英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部 主任工程師

          柯春山，英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部 高級主任工程師