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MOSFET 单脉冲雪崩能量(EAS)参数解读与测量
admin| 2025-06-21| Return

一、何为EAS?

规格书中的重要参数EAS(又称UIS)Energy during avalanche for single pulse的缩写,中文译为单脉冲雪崩击穿能量

EAS指的是MOSFET器件串联感性负载时,遭遇单次脉冲(开关的突然关断会产生感应电压,形成浪涌冲击)状态下,所能承受的[敏感词]能量冲击,其是衡量器件在感性负载下承受反向击穿雪崩能量的能力的参数,单位是焦耳(J)

EAS值越大,器件的耐浪涌能力越强

二、EAS详解

虽然MOSFET发生雪崩击穿后可以恢复,但是雪崩状态不能一直持续,因为这个过程中会产生大量的热量,如果热量堆积器件就会因为高温损坏这个时候就需要一个能很好衡量器件消散雪崩能量能力的强弱的参数,以作为测量指标

衡量器件雪崩能力的指标一般有EAS(单次承受的[敏感词]雪崩能量)和EAR后者与测试条件关联性更强,所以较少用到

三、测试方法

EAS测试电路依据电路中电感放电回路电源是否提供电压从而分为有两种[敏感词]先说[敏感词]种电路A:

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如图,L为电感负载(模拟实际应用中存在的感性反馈)VDD为电源电压,DUT为待测器件,RG为栅极电阻参数

电路开始工作之前待测器件DUT处于关断状态,电感中没有存储能量。

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回路开始工作,0时刻时,给待测器件DUT加一定的脉冲,脉冲宽度为t1,使器件导通,回路同时导通,此时电源电压VDD对负载电感L充电,其电流变化率为

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t1时刻,电感L上的电流达到[敏感词]值Ipeak,存储的能量也达到[敏感词],为

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可以看出,电感储能与以下三个因素密切相关:电感值 LLL、电源电压 VDDV_{DD}VDD、以及脉冲宽度 t1t_1t1。

当脉冲持续到 t1t_1t1 时刻,栅极电压突然降为 0,DUT(被测器件)和开关管同时关断。此时,电感中原本处于稳态的自旋电子由于电流中断而进入非稳态状态,自旋磁矩发生变化

由于电感具有线圈结构,其电子轨道磁矩在电流断开瞬间突然消失,因此自旋磁矩发生突变,进而释放磁场。这一变化激发了磁阻效应,导致电子开始反向移动,试图尽快恢复到新的稳态。

此时,电感开始反向放电,表现出其储能效应。MOSFET 在此阶段相当于一个大电阻,电感释放能量的速度非常快,电流变化剧烈。

为了释放电感中储存的能量,电感会产生一个感生电压 VBV_BVB,该电压可能高于 MOSFET 的额定雪崩击穿电压(BVDSBV_{DS}BVDS)——通常为其 1.3 倍。这是因为器件在 EAS(单脉冲雪崩能量)测试过程中会吸收能量并发热,导致结温升高,而雪崩击穿电压具有正温度系数。

终,这个较高的感生电压可能触发 MOSFET 的体二极管发生雪崩击穿,以实现对电感能量的释放。

我们可以得到

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如果MOSFET能够承受这次雪崩能量而不发生损坏,经过一定时间后,电感中的能量将全部释放完毕,电路中的电流也会降至零。此时,通过对MOSFET的电压和电流进行积分计算,得到的数值就是本次MOSFET所承受的EAS能量,这个能量正好等于电感中储存的能量。

下来再看另一种测试电路B

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在这种测试电路中,此时电感电压不再单纯是MOSFET感生电压VB,而是VB-VDD,didt和电流下降时间t2都要发生变化,EAS计算公式为

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从测量结果来看,电路 B 的 EAS 测量值高于电感本身的储能数值,这是由于该测量模型将电源电压 VDD 的能量贡献纳入了计算体系。

就电路拓扑与计算逻辑而言,电路 A 虽因架构设计相对复杂,但在 EAS 计算上更为简便 —— 其能量模型仅需考量电感储存的能量;而电路 B 尽管拓扑结构更为简洁,在 EAS 计算过程中反而更为繁琐:一方面需要实时监测 VB 电压信号,且该电压的实际波形呈现非理想的波动状态,与理论示意图中的平滑曲线存在差异;另一方面,由于 VDD 始终接入能量释放回路,当器件发生短路失效时,回路电流将急剧攀升至危险阈值,因此必须配置过流保护装置以规避电源短路风险。

通过上述分析可知,电感储能大小受电感量 L、电源电压 VDD 及脉冲宽度 t1 三个参数影响。在工程实践中,若需提升储能能量,通常采用固定 VDD 和 L 的方式,通过延长脉冲宽度来实现能量递增(因增加电感量涉及磁芯选型和绕组设计等复杂工艺),直至器件刚好保持正常工作状态时的能量值即为 EAS。

针对不同器件的 EAS 横向对比,必须建立统一的测量基准(通常以电感量 L 为统一标准)。这是因为能量释放速率(即电流下降速率 di/dt)会随电感量变化而改变:电感量越大,雪崩电流峰值与 di/dt 越小,能量释放周期延长,器件散热时间增加,进而导致 EAS 测量值偏大。若缺乏统一电感标准,将使不同器件的能量释放动力学特性产生差异,影响测试数据的可比性。

四、失效原因

EAS 测试中,MOS 器件失效的核心机制是热击穿失效(即结温达到本征温度阈值)。从失效诱因来看,首要因素可能源于封装结构的散热性能不足;当排除封装失效因素后,失效机制可聚焦于器件本体,从物理层面可划分为两类:电流丝击穿失效与寄生双极晶体管(BJT)导通引发的失效。

① 电流丝击穿失效机理

正常工况下的 EAS 过程中,由于雪崩电流的热致效应与击穿电压(BV)的正温度系数特性,雪崩电流会在不同晶体管单元间动态转移,终在局部区域达到临界值,当电流丝的动态转移机制失效时,即会引发局部热击穿。若器件存在结构缺陷(如单元结构异常、终端区击穿电压偏低等),会导致雪崩电流在缺陷部位异常集中,进而使 EAS 测试值低于正常水平。

 

该失效模式的核心在于电流均匀性控制。所有晶体管本质上可视为可变电阻元件,电流倾向于流向电阻较低的路径,因此需优化雪崩电流路径的耐压特性,这涉及雪崩状态下的电场分布调控。当雪崩电流密度达到较高水平时,电荷载流子的迁移浓度可与衬底掺杂浓度相当,进而改变衬底有效掺杂浓度,终影响耗尽区电场分布与电流密度分布。

② 寄生 BJT 导通失效机制

MOSFET 的物理结构天然包含由 N + 源区、P-base 体区、N - 漂移区构成的寄生 NPN 型双极晶体管(分别对应 BJT 的发射极、基极、集电极)。尽管可通过欧姆接触短接 P-base 区与源极来抑制寄生 BJT 的影响,但受限于工艺结构,该寄生效应无法完全消除。

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在雪崩击穿状态,反向饱和电流被雪崩效应放大M倍,电子流向漏极,空穴流向源极如图所示:

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N + 源区下方的空穴传输存在两种路径选择:其一是经 P-base 区从源极导出,其二是通过 N + 区域由源极流出。空穴的具体流向由两条路径的电阻值决定 —— 当空穴电势低于 P-base 区与 N + 区形成的 PN 结正向导通阈值电压(即 <0.7V)时,空穴将全部沿 P-base 区流出源极,此时寄生 BJT 处于截止状态,器件击穿电压维持为发射极开路时的基极 - 集电极击穿电压 BVCBO;而当空穴电势足以使 PN 结正向导通(即> 0.7V)时,N + 区内的电子会注入 P-base 区,该电流被雪崩效应放大 M 倍,进而触发寄生 BJT 导通。此时器件击穿电压转变为基极开路时的发射极 - 集电极击穿电压 BVCEO,由于电流进入正反馈放大状态,器件会迅速发生热失效
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所以说为了抑制寄生BJT开启提高EAS,关键在于降低雪崩电流(空穴电流)到接触孔这条路径上的电阻值,[敏感词]举一些例子:

a. 减少N+区域面积;

b. 增加P-base掺杂浓度,注入重掺杂的P+区域;

c. 优化P-base和金属的接触电阻

五、结论

实际应用中,EAS主要描述单次雪崩的能量。

然而,器件手册中另有一个参数 EAR,即可重复雪崩击穿能量,其限定值通常远小于EAS,且对芯片性能的影响较小。

因此,在设计中应尽量避免大能量EAS的发生,以保护器件的长期可靠性。

EAS作为评估MOSFET器件雪崩能量耐受性的关键指标,不仅为设计人员提供了器件性能的量化参考,也在实际应用中帮助规避潜在的过压损害。

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