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雪崩擊穿
閱讀�30542時間�2011-01-04 10:53:15

  電子和空穴穿越空間電荷區(qū)�,與空間電荷去內的電子發(fā)生碰撞產(chǎn)生電�-空穴�,在pn 結內形成一股很大的反偏電流,這個過程就稱為雪崩擊穿�

原理

  隨著反向電壓的提�,空間電荷區(qū)內電場增強,通過勢壘區(qū)的載流子獲得的能量也隨之增加。當反向電壓接近擊穿電壓UB時,這些有較高能量的載流子與空間電荷區(qū)內的中性原子相遇發(fā)生碰撞電�,產(chǎn)生新的電�-空穴�。這些新產(chǎn)生的電子和空穴又會在電場的作用下,重新獲得能�,碰撞其它的中性原子使之電離,再產(chǎn)生更多的電子-空穴�。這種連鎖反應繼續(xù)下去,使空間電荷區(qū)內的載流子數(shù)量劇�,就像雪崩一�,使反向電流急劇增大,產(chǎn)生擊�。所以把這種擊穿稱為雪崩擊穿�

  雪崩擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較低、外加電壓又較高的PN結中。這是因為摻雜濃度較低的PN結,空間電荷區(qū)寬度較寬,發(fā)生碰撞電離的機會較多�

理論分析

  � MOSFET 漏極存在大電� Id,高電� Vd �,器件內電離作用加�,出現(xiàn)大量的空穴電�,�(jīng) Rb 流入源極,導致寄生三極� 基極電勢 Vb 升高,出現(xiàn)所謂的"快回(Snap-back)"�(xiàn)�,即在 Vb 升高到一定程� �,寄生三極� V2 導�,集電�(即漏�)電壓快速返回達到晶體管基極開路時的 擊穿電壓(增益很高的晶體管中該值相對較�),從而發(fā)生雪崩擊�,(大量的研� 和試驗表�,Ic,SB 很小.另外,由于寄生三極管的增益較大,故在雪崩擊穿�, 三極管基極電�,空穴重新結合所形成的電�,以及從三極管集電極到�(fā)射極空穴 移動所形成的電�,只占� MOSFET 漏極電流的一小部�;所有的基極電流 Ib 流過 Rb;� Ib 使基極電位升高到一定程度時,寄生晶體管進入導通狀�(tài),MOSFET 漏源 極電壓迅速下�,�(fā)生雪崩擊穿故�.

微觀分析

  雙極性器件在�(fā)生二次擊穿時,集電極電 壓會在故障瞬間很短時間內(可能小于 1ns)衰減幾百�.這種電壓銳減主要是由 雪崩式注入引起的,主要原因在于:二次擊穿�,器件內部電場很大,電流密度� 比較�,兩種因素同時存在,一起影響正常時的耗盡區(qū)固定電荷,使載流子�(fā)生雪 崩式倍增. 對于不同的器�, �(fā)生雪崩式注入的情況是不同�. 對于雙極性晶體管, 除了電場應力的原因外,正向偏置時器件的熱不�(wěn)定�,也有可能使其電流密度� 到雪崩式注入�.而對� MOSFET,由于是多�(shù)載流子器�,通常認為其不會發(fā)生正 向偏置二次擊�,而在反向偏置�,只有電氣方面的原因能使其電流密度達到雪崩 注入�, 而與熱應力無�. 以下對功� MOSFET 的雪崩擊穿作進一步的分析. MOSFET � 內部各層間存在寄生二極管,晶體�(三極�)器件.從微觀角度而言,這些寄生 器件都是器件內部 PN 結間形成的等效器�,它們中的空�,電子在高速開關過程中 受各種因素的影響,會導� MOSFET 的各種不同的表現(xiàn).導通時,正向電壓大于門� 電壓,電子由源極經(jīng)體表反轉層形成的溝道進入漏極,之后直接進入漏極節(jié)�;� 極寄生二極管的反向漏電流會在飽和區(qū)�(chǎn)生一個小的電流分�.而在�(wěn)�(tài)�,寄生 二極�,晶體管的影響不大.關斷�,為使 MOSFET 體表反轉層關�,應當去掉柵極 電壓或加反向電壓.這時,溝道電流(漏極電流)開始減少,感性負載使漏極電壓 升高以維持漏極電流恒�.漏極電壓升高,其電流由溝道電流和位移電�(漏極� 二極管耗盡區(qū)生成�,且與 dVDS/dt 成比�)組成.漏極電壓升高的比率與基極� 電以及漏極耗盡區(qū)充電的比率有�;而后者是由漏-源極電容,漏極電流決定�. 在忽略其它原因時,漏極電流越大電壓會升高得越快.如果沒有外部鉗位電路,� 極電壓將持續(xù)升高,則漏極體二極管由于雪崩倍增�(chǎn)生載流子,而進入持續(xù)導通模 �(Sustaining Mode).此時,全部的漏極電�(此時即雪崩電�)流過體二極管, 而溝道電流為�.由上述分析可以看�,可能引起雪崩擊穿的三種電流為漏電�, 位移電流(� dVDS/dt 電流),雪崩電流,三者理論上都會激活寄生晶體管導�. 寄生晶體管導通使 MOSFET 由高壓小電流迅速過渡到低壓大電流狀�(tài), 從而發(fā)生雪� 擊穿.

時能量與溫度的變�

  在開關管雪崩擊穿過程�, 能量集中在功� 器件各耗散層和溝道�,在寄生三極管激活導通發(fā)生二次擊穿時,MOSFET 會伴隨� 劇的�(fā)熱現(xiàn)�,這是能量釋放的表�(xiàn).以下對雪崩擊穿時能量耗散與溫升的關系� 行分�.雪崩擊穿時的耗散能量與溫升的關系� 電流呈線性增�,增長率為

  ΔθM�

  雪崩擊穿開始�, di/dt=VBR/L(13)式中:VBR 為雪崩擊穿電�(假設 為恒�);L 為漏極電路電�.若此� MOSFET 未發(fā)生故�,則在關斷時刻之前,� 內部耗散的能量為

  E=LIo2(14)

  式中:E 為耗散能量;Io 為關斷前的漏極電�. 隨著能量的釋�,器件溫度�(fā)生變�,其瞬時釋放能量值為

  P(t)=i(t)v=i(t)VBR

  式中: i(t)=Io-t (16) 到任意時� t 所耗散的能量為 (17)在一定時� t �,一定的耗散功率�,溫升� 方法表示溫升� E=Pdt=L(Io2-i2) Δθ=PoK(18)式中:K=,

  其中 ρ 為密�;k 為電導率;c 為熱容量.實際上耗散功率不是恒定�,用疊加的

  Δθ=PoK-δPnK(19)

  式中:Pn=δinVBR=VBRδt; Po=IoVBR; δt=tn-tn-1;tm=t=.則溫升可以表示為

  Δθ(t)=PoK-Kδt(20)

  可以表示� 積分形式�

  Δθ(t)=PoK-Kdτ(21)

  在某一時刻 t 溫升表達式為

  Δθ(t)=PoK- K(22)

  將溫升表達式�(guī)范化處理,� =(23)式中:tf=,為電� i=0 的時�;ΔθM 為溫�(t=tf/2 �).則由�(22)� Δθ=PoK=IoVBRK(24)

  由上面的分析過程 可以看出,在功� MOSFET �(fā)生雪崩擊穿時,器件溫度與初始電�,以及器件本身� 性能有關.在雪崩擊穿后如果沒有適當?shù)木彌_,抑制措施,隨著電流的增�,器件 �(fā)散內部能量的能力越來越差,溫度上升很快,很可能將器件燒毀.在現(xiàn)代功率半 導體技術中,MOSFET 設計,制造的一個很重要方面就是�(yōu)化單元結�,促進雪崩擊 穿時的能量耗散能力

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