硅基 MOSFET 的 UIS 失效

出处:网络整理 发布于:2026-06-09 16:16:58

  在电力电子拓扑领域,各类感性负载如电机绕组、变压器漏感、继电器线圈等十分常见。当硅基 MOSFET 高速关断时,若这些感性负载产生的反电动势无法及时释放,就会迫使 MOSFET 进入雪崩击穿状态,这种工况被称为 UIS(Unclamped Inductive Switching,非钳位感性开关)。在实验室中,UIS 是评估器件鲁棒性的重要硬性指标;然而在实际应用里,UIS 失效常常以 “随机偶发故障” 的形式出现,成为让研发工程师们头疼不已的 “隐形杀手”。
  那么,什么是 UIS 失效呢?当 MOSFET 关断感性负载时,如果电路中没有加钳位吸收电路(或者吸收电路失效),电感为了维持电流不突变,会产生极高的反向电压逼迫 MOSFET 漏源极(D - S)反向击穿。此时,MOSFET 内部的体二极管进入雪崩状态,强制消耗电感中存储的能量。一旦这股能量超出了器件的承受极限,MOSFET 就会发生性的物理损坏,这便是 UIS 失效。
  在量产项目的实际工况中,UIS 失效主要通过以下三种物理机制摧毁芯片:
  瞬态热失控(常见的物理熔毁):在雪崩期间,MOSFET 同时承受着高电压和大电流,器件在微秒级的时间内会产生巨大的瞬态功耗。由于热量来不及传导到散热片,芯片内部的瞬态结温会急剧飙升。当局部温度达到硅材料或电极金属(铝)的熔点时,芯片就会形成局部的热斑并熔毁,表现为漏源极直接短路。从物理原理上来说,这是因为在高功率下,热量的产生速度远远超过了散热速度,导致芯片内部温度迅速升高,终超过材料的承受范围。
  寄生 BJT 触发(二次击穿):每一个硅基 MOSFET 内部都天然存在一个寄生三极管(BJT)。正常情况下,这个 BJT 是被短路锁死的。但是在雪崩状态下,电感电流流过 P - Body 区的基极电阻。当电流和温度同时升高,导致基极电阻上的压降超过 0.7V 时,寄生 BJT 会被强行导通。一旦 BJT 导通,就会发生电流局域化(负温度系数导致的电流恶性聚集),引发二次击穿,瞬间烧毁器件。这种现象是由于 MOSFET 内部的特殊结构和物理特性导致的,在特定的工况下,寄生 BJT 的导通会打破原有的电路平衡,造成严重的损坏。
  栅极氧化层电场击穿:在极端雪崩状态下,芯片内部会产生高能 “热载流子”。这些高能粒子会注入到栅极氧化层(SiO?)中。此外,若沟槽(Trench)拐角处的电场过于集中,会导致栅氧层承受的电压超出极限,终导致栅极氧化层破裂,表现为栅极(G)对漏极(D)或源极(S)短路。这是因为栅极氧化层在高电场的作用下,其绝缘性能会受到破坏,从而引发短路故障。
  典型故障形貌方面,虽然原文未详细描述,但从相关知识可知,不同的失效机制会导致不同的故障表现。例如,瞬态热失控可能会使芯片表面出现明显的熔毁痕迹;寄生 BJT 触发可能会导致芯片内部结构损坏;栅极氧化层电场击穿则可能会影响芯片的电气性能。

关键词:MOSFET

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