半导体器件击穿机理分析及设计注意事项

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E_g越大，则击穿电压V_B越高；比如Si (E_g=1.12 eV) VS SiC (E_g=3.23 eV)
2. 掺杂浓度越低，V_B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V_B越高。

除了上述方法可以提高击穿电压V_B，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V_B。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V_BR还与PN结结温（T_j）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E_g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V_B

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V_B降低，使得宏观上击穿电压V_B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V_gs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