MOSFET 二次崩潰 (Secondary Breakdown)

本文描述了由 MOSFET 的安全工作區（SOA）曲線所示的二次崩潰極限。

1. MOSFET 的 SOA（Safe Operating Area）
SOA 是 MOSFET在沒有自損壞或退化的情況下工作的電壓和電流條件。 即使只有一瞬間，也不得將 MOSFET 暴露在安全工作區域之外的條件下。
早期歷史中，二次崩潰乃是雙極性晶體管特有的故障模式。 MOSFET 的 SOA 僅受最大汲極--源極電壓、最大汲極電流以及它們之間的熱不穩定性限制。
然而，由於器件的幾何尺寸縮放，近些年 MOSFET 表現出類似於二次崩潰的現象。 因此，相對必要確定 MOSFET 的工作軌跡是否落在 SOA 內。




MOSFET 的 SOA 分為以下五個區域（如上圖）：
1) 熱極限
受功耗 P_D（絕對最大額定值）限制的區域。最大允許功耗由保證的通道溫度和熱阻決定。SOA 的斜率表示最大允許功耗（在雙對數圖中的斜率為 -1）。由於最大允許功耗和器件溫度會隨 MOSFET 的導通時間和環境溫度而變化，因此溫度限制取決於 MOSFET 的工作條件。
2) 二次崩潰限制
3) 電流限制
定義了受限於最大汲極電流額定值的區域。對於連續電流（DC）操作，SOA 受 I_D（絕對最大額定值）的限制。對於脈衝操作，SOA 受 I_DP（絕對最大額定值）限制。
4) 汲極--源極電壓限制
定義了受汲極--源極電壓 V_DSS（絕對最大額定值）限制的區域。
5) 導通電阻限制
定義了理論上受導通電阻 R_DS(ON)(max) 約束的區域。 I_D 等於 V_DS / R_DS(ON)(max)。

2. MOSFET 二次崩潰
二次崩潰是雙極性晶體管的一種故障模式，其中在高電壓和大電流條件下會產生負電阻(電流集中)。
電流集中會引起局部發熱，並產生一小熱點。
熱點的阻抗降低，導致電流集中。這種稱為熱失控的循環會導致器件性能下降和損壞。

3. MOSFET 二次崩潰機制
當 MOSFET 閘極正向偏置時，電荷載子被吸引到閘電極和閘氧化物之間的界面，從而形成反轉層。
反轉層提供電流可以通過在源極和汲極端子之間的通道。發生這種情況的閘極電壓稱為閥值電壓 Vth。
MOSFET 汲極電流由傳輸到閘電極和閘氧化物之間界面的電荷載子的數量所控制。
電荷載子數隨溫度及 V_GS-V_th 的上升而增加， V_th 隨溫度降低，促使電荷載子密度增加，降低通道電阻。
這意味通道電阻隨（V_GS-V_th）的增加而減小，二者關係成反比。

基於下述事件提出 MOSFET 二次崩潰
1) 隨著 MOSFET 溫度的升高，閘極閥值電壓 V_th 降低，從而減小了電阻通道。
2) 電流集中在縮小的通道中，溫度升高，導致閘極閥值電壓 V_th 降低。
3) 因此，進一步出現電流集中，此循環最終導致設備損壞。

因溫度變化引起通道電阻的變化（即閘極閥值電壓的溫度依賴性），還有最大允許功率和散熱（即環境溫度和熱阻）， SOA 受到二次崩潰線的限制得以證明。
綜上所述，MOSFET 的二次崩潰是由電流集中引起的器件破壞。
因此，具有高轉導 g_m*（具有高電流增益）的 MOSFET 以及由於高 V_DS 區域中的 V_th 變化而在汲極電流中表現出顯著變化的那些 MOSFET 極易受到破壞。
當電流由於雪崩擊穿而流動時，閘極關閉，沒有電流流過閘極通道。因此，MOSFET 不受閘極崩潰電壓 V_th 的溫度依賴性特性的影響，便不易引發二次崩潰。

*轉移電導 g_m
轉移電導是汲極電流 (I_DS) 的變化除以閘極--源極電壓 V_GS 的變化：