本篇將介紹 TOSHIBA MOSFET 安全工作區域(Safe operating area,SOA)中的secondary breakdown 曲線,如圖一所示,
圖一: MOSFET的安全工作區域曲線,(註一: MOSFET Secondary BreakdownApplication Note Application Note.)
SOA 是指 MOSFET 在不發生自損壞的情況下工作電壓和電流條件,MOSFET 不得操作在安全工作區域以外的條件下,即使是一瞬間, 在其早期歷史中,MOSFET 因不存在secondary breakdown而聞名,這是MOSFET特有的故障模式.MOSFET 的 SOA 僅受最大VDS,最大IDS和熱不穩定性限制. 然而,由於MOSFET尺寸的縮小,使得MOSFET會表現出類似於secondary breakdown的損壞,因此,我們有必要確定該MOSFET的運行軌跡是否為MOSFET 屬於 SOA 範圍,來確保MOSFET操作在安全工作區域內.
Secondary breakdown是雙極電晶體的一種故障模式,其中負電阻(電流濃度)發生在高電壓和高電流條件下.在晶體局部集中加熱,產生小熱點.熱點的阻抗降低,導致進一步產生大電流.這種稱為熱失控的循環會導致裝置退化並破壞.在這方面,MOSFET SOA 的secondary breakdown極限可以考慮為與雙極電晶體的方式相同.然而,MOSFET的secondary breakdown不是由 MOSFET 結構中的寄生雙極電晶體的運作來定義的,準確地說,MOSFET的失效模式不應該稱secondary breakdown,而是同一個術語用於雙極電晶體和MOSFET.
接下來將介紹 MOSFET secondary breakdown的機制,當 MOSFET Gate正向偏壓時,電荷載子被吸引到Gate電極和Gate氧化物,形成反型層.反型層提供了電流可以在Drain和Source之間通過的通道,發生這種情況的Gate電壓稱為VGSth.MOSFET 的Drain電流由傳輸到Gate之間界面的電荷載子的數量控制電極和Gate氧化物.
圖一: MOSFET的安全工作區域曲線,(註一: MOSFET Secondary BreakdownApplication Note Application Note.)
SOA 是指 MOSFET 在不發生自損壞的情況下工作電壓和電流條件,MOSFET 不得操作在安全工作區域以外的條件下,即使是一瞬間, 在其早期歷史中,MOSFET 因不存在secondary breakdown而聞名,這是MOSFET特有的故障模式.MOSFET 的 SOA 僅受最大VDS,最大IDS和熱不穩定性限制. 然而,由於MOSFET尺寸的縮小,使得MOSFET會表現出類似於secondary breakdown的損壞,因此,我們有必要確定該MOSFET的運行軌跡是否為MOSFET 屬於 SOA 範圍,來確保MOSFET操作在安全工作區域內.
Secondary breakdown是雙極電晶體的一種故障模式,其中負電阻(電流濃度)發生在高電壓和高電流條件下.在晶體局部集中加熱,產生小熱點.熱點的阻抗降低,導致進一步產生大電流.這種稱為熱失控的循環會導致裝置退化並破壞.在這方面,MOSFET SOA 的secondary breakdown極限可以考慮為與雙極電晶體的方式相同.然而,MOSFET的secondary breakdown不是由 MOSFET 結構中的寄生雙極電晶體的運作來定義的,準確地說,MOSFET的失效模式不應該稱secondary breakdown,而是同一個術語用於雙極電晶體和MOSFET.
接下來將介紹 MOSFET secondary breakdown的機制,當 MOSFET Gate正向偏壓時,電荷載子被吸引到Gate電極和Gate氧化物,形成反型層.反型層提供了電流可以在Drain和Source之間通過的通道,發生這種情況的Gate電壓稱為VGSth.MOSFET 的Drain電流由傳輸到Gate之間界面的電荷載子的數量控制電極和Gate氧化物.
由於電荷載子的數量隨著溫度的升高而增加,因此 VGSth會隨著溫度的升高而降低,通道電阻與VGS和VGS之間的差值成反比,Vth(即 VGS-Vth)(隨著（VGS-Vth)增加,載流子電荷的數量增加.這會導致電荷載子密度增加,因此通道電阻降低.如上所述,VGSth隨著溫度的升高而降低,因為電荷載子的數量隨著溫度的升高而增加. 這意味著通道電阻隨著 (VGS-Vth) 減小而增加.
以下是基於這些討論 MOSFETsecondary breakdown的機制.
1) 隨著MOSFET溫度升高,VGSth降低,進而降低通道阻力.
2）電流集中在電阻減小的通道中,導致溫度進一步升高,這導致閘VGSth進一步降低.
3)因此,發生進一步的電流集中,這個循環最終導致MOSFET損壞.
由於上述原因,SOA 受到secondary breakdown線的限制,閘極考慮到由於溫度變化而導致通道電阻變化.受最大值約束的線允許的功率和散熱(即環境溫度和熱阻)和受secondary breakdown limit的線,其中包括通道電阻(即溫度VGSth的依賴性)作為判斷因素之一,具有不同的斜率.如上所述,MOSFET的secondary breakdown主要是電流造成的元件損壞.
因此,具有高跨導 gm* 的 MOSFET(即具有高電流增益)以及由於高 VDS中 Vth 的變化而導致Drain電流發生顯著變化的MOSFET區域極易遭受破壞,當電流因雪崩擊穿而流動時,Gate關閉,因此沒有電流流經Gate通道.因此,MOSFET不易受次級影響擊穿,因為它不受閘極溫度相關特性的影響閾值電壓Vth.
以上就是 TOSHIBA MOSFET SOA secondary breakdown曲線的介紹.
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