في هذا المنشور نناقش تقييمات MOSFET الانهيار الجليدي ، ونتعلم كيفية فهم هذا التصنيف في ورقة البيانات بشكل صحيح ، وكيف يتم اختبار المعلمة من قبل الشركة المصنعة ، والتدابير اللازمة لحماية MOSFETs من هذه الظاهرة.

لا تساعد معلمة الانهيار الجليدي في التحقق من صلابة الأجهزة فحسب ، بل تساعد أيضًا في تصفية وحدات الترانزستورات الفلورية الأضعف أو الأكثر عرضة للانهيار أو الانهيار.

ما هو تصنيف MOSFET Avalanche

تصنيف الانهيار الجليدي MOSFET هو أقصى طاقة يمكن تحملها (مللي جول) يمكن أن تتحملها MOSFET ، عندما يتجاوز جهد مصدر التصريف الحد الأقصى لجهد الانهيار (BVDSS).

تحدث هذه الظاهرة عادة في دوائر تبديل MOSFET ذات الحمل الاستقرائي عبر طرف الصرف.

خلال فترات التشغيل لدورات التبديل ، يتم شحن المحرِّض ، وخلال فترات إيقاف التشغيل ، يطلق المحرِّض طاقته المخزنة في شكل EMF الخلفي عبر استنزاف المصدر للـ MOSFET.

يجد هذا الجهد العكسي طريقه عبر الصمام الثنائي للجسم MOSFET ، وإذا تجاوزت قيمته الحد الأقصى المسموح به للجهاز ، فإنه يتسبب في نشوء حرارة شديدة داخل الجهاز مما يتسبب في ضرر أو ضرر دائم للجهاز.

متى تم تقديم MOSFET Avalanche

لم يتم تضمين المعلمة Avalanche Energy و UIS (التبديل الاستقرائي غير المصحوب) في الواقع في أوراق بيانات MOSFET قبل الثمانينيات.

وذلك عندما تطورت ليس فقط إلى مواصفات ورقة البيانات ، ولكن أيضًا معلمة بدأ العديد من المستهلكين في المطالبة باختبار FET قبل تمرير الجهاز للإنتاج ، خاصةً إذا تم تصميم MOSFET لإمداد الطاقة أو تبديل التطبيقات.

لذلك لم يبدأ ظهور معلمة الانهيار الجليدي في أوراق البيانات إلا بعد الثمانينيات ، ثم بدأ فنيو الترقية يدركون أنه كلما زاد تصنيف الانهيار الجليدي ، بدا الجهاز أكثر تنافسية.

بدأ المهندسون في تحديد تقنيات لتجربة المعلمة عن طريق تعديل بعض متغيراتها ، والتي تم استخدامها في عملية الاختبار.

بشكل عام ، كلما زادت طاقة الانهيار الجليدي ، كلما تحولت MOSFET إلى أكثر متانة وقوة. لذلك ، يمثل تصنيف الانهيار الجليدي الأكبر خصائص MOSFET أقوى.

ستحتوي معظم أوراق بيانات FET عادةً على معلمة الانهيار الجليدي المضمنة في جدول التقييمات القصوى المطلقة ، والتي يمكن العثور عليها مباشرةً في صفحة الإدخال في ورقة البيانات. على وجه الخصوص ، يمكنك عرض المعلمات المكتوبة هنا باسم Avalanche Current و Avalanche Energy ، Eas.

“أي مما يلي يعتبر نوعًا من الوسائط اللاسلكية؟ ”

لذلك ، في أوراق البيانات ، يتم تقديم MOSFET Avalanche Energy على أنها كمية الطاقة التي يمكن لـ MOSFET تحملها أثناء تعرضها لاختبار الانهيار الجليدي ، أو عند تجاوز الحد الأقصى لتصنيف جهد الانهيار الخاص بـ MOSFET.

الانهيار الجليدي الحالي ومعهد اليونسكو للإحصاء

يتم تحديد هذا المعدل الأقصى لجهد الانهيار من خلال اختبار الانهيار الجليدي ، والذي يتم إنجازه من خلال اختبار التحويل الاستقرائي غير المثبت أو اختبار UIS.

ومن ثم عندما يناقش المهندسون حول UIS الحالي ، فقد يشيرون إلى Avalanche Current.

يتم إجراء اختبار التبديل الاستقرائي غير المثبت لمعرفة التيار وبالتالي طاقة الانهيار التي يمكن أن تؤدي إلى فشل MOSFET.

كما ذكرنا سابقًا ، تعتمد هذه الأحجام أو التصنيفات بشكل كبير على مواصفات الاختبار ، ولا سيما قيمة المحرِّض المطبقة في وقت الاختبار.

اختبار الإعداد

يوضح الرسم البياني التالي إعداد دائرة اختبار UIS قياسية.

وهكذا نرى مصدر جهد متسلسل مع مغو ، L ، والذي هو أيضًا في سلسلة مع MOSFET قيد الاختبار. يمكننا أيضًا رؤية محرك البوابة لـ FET الذي يكون خرجه في سلسلة مع المقاوم بوابة FET R.

في الصورة أدناه ، نجد ، جهاز تحكم LTC55140 ، والذي يستخدم في مختبر Texas Instrument لتقييم خصائص UIS الخاصة بـ FET.

تساعد خاصية UIS لاحقًا ليس فقط في معرفة تصنيف ورقة بيانات FET ، ولكن أيضًا القيمة المستخدمة لمسح FET في إجراء الاختبار النهائي.

تسمح الأداة بتعديل قيمة محث الحمل من 0.2 إلى 160 مللي. يسمح بضبط جهد التصريف للـ MOSFET تحت الاختبار من 10 إلى 150 فولت.

هذا ، نتيجة لذلك ، يجعل من الممكن فحص حتى تلك FETs المصنفة للتعامل مع جهد انهيار 100 فولت فقط. ويصبح من الممكن تطبيق تيارات التصريف من 0.1 إلى 200 أمبير. وهذا هو النطاق الحالي UIS الذي قد يتعين على FET تحمله أثناء إجراء الاختبار.

بالإضافة إلى ذلك ، تتيح الأداة ضبط نطاقات مختلفة لدرجات حرارة علبة MOSFET ، من -55 إلى +150 درجة.

إجراءات الاختبار

يتم تنفيذ اختبار UIS القياسي من خلال 4 مراحل ، كما هو موضح في الصورة التالية:

تتكون المرحلة الأولى من اختبار ما قبل التسرب ، حيث يعمل جهد الإمداد على تحيز استنزاف FET. في الأساس ، الفكرة هنا هي محاولة ضمان أداء FET بالطريقة العادية المتوقعة.

وبالتالي ، في المرحلة الأولى ، يتم إيقاف تشغيل FET. إنه يحافظ على جهد الإمداد مسدودًا عبر محطات daim-emitter ، دون التعرض لأي نوع من تيار التسرب المفرط الذي يتدفق عبره.

في المرحلة الثانية ، والتي تُعرف باسم تصاعد تيار الانهيار الجليدي ، يتم تشغيل FET ، مما يؤدي إلى انخفاض جهد التصريف. ينتج عن هذا التيار أن يزداد تدريجيًا من خلال المحرِّض بثابت d / dt. لذلك في هذه المرحلة ، يُسمح للمحث بالشحن.

في المرحلة الثالثة ، يتم إجراء اختبار الانهيار الفعلي ، حيث يتعرض FET عمليًا للانهيار الجليدي. في هذه المرحلة ، يتم إيقاف تشغيل FET عن طريق إزالة انحياز البوابة. ينتج عن هذا مرور دي / ديت هائل عبر المحرِّض ، مما يتسبب في ارتفاع جهد استنزاف FET أعلى من حد جهد الانهيار في FET.

هذا يجبر FET على المرور عبر موجة الانهيار الجليدي. في هذه العملية ، يمتص FET الطاقة الكاملة الناتجة عن المحرِّض ، ويظل مغلقًا ، حتى يتم تنفيذ المرحلة الرابعة ، التي تتضمن اختبار ما بعد التسرب

في هذه المرحلة الرابعة ، يخضع FET مرة أخرى لاختبار الانهيار الجليدي المتكرر ، فقط للتأكد مما إذا كانت MOSFET لا تزال تتصرف بشكل طبيعي أم لا. إذا حدث ذلك ، فيُعتبر أن FET قد اجتاز اختبار الانهيار الجليدي.

بعد ذلك ، يجب أن يمر FET بالاختبار أعلاه عدة مرات ، حيث يتم زيادة مستوى الجهد UIS تدريجياً مع كل اختبار ، حتى المستوى الذي لا تستطيع فيه MOSFET الصمود وتفشل في اختبار ما بعد التسرب. ويلاحظ أن هذا المستوى الحالي هو الحد الأقصى لقدرة UIS الخاصة بـ MOSFET.

حساب طاقة MOSFET الانهيار الجليدي

بمجرد تحقيق الحد الأقصى من قدرة المعالجة الحالية لمعهد UIS للـ MOSFET ، حيث يتعطل الجهاز ، يصبح من الأسهل على المهندسين تقدير كمية الطاقة التي يتم تبديدها من خلال FET أثناء عملية الانهيار الجليدي.

بافتراض أن الطاقة المخزنة بالكامل في المحرِّض قد تبددت في MOSFET أثناء الانهيار الجليدي ، يمكن تحديد حجم الطاقة هذا باستخدام الصيغة التالية:

يكون_مثل= 1/2 لتر × أنا_{من^اثنين}

يكون_مثليعطينا حجم الطاقة المخزنة داخل المحرِّض ، والتي تساوي 50٪ من قيمة المحاثة مضروبة في مربع التيار ، التي تتدفق عبر المحرِّض.

علاوة على ذلك ، لوحظ أنه مع زيادة قيمة المحرِّض ، انخفض مقدار التيار المسؤول عن انهيار MOSFET بالفعل.

ومع ذلك ، فإن هذه الزيادة في حجم المحرِّض تعوض في الواقع هذا الانخفاض في التيار في صيغة الطاقة المذكورة أعلاه بطريقة تزيد فيها قيمة الطاقة حرفياً.

الانهيار الجليدي للطاقة أم الانهيار الجليدي؟

هذه هي المعلمتان ، والتي يمكن أن تربك المستهلكين ، أثناء التحقق من ورقة بيانات MOSFET لتصنيف الانهيار الجليدي.

يقوم العديد من مصنعي MOSFET باختبار MOSFET عن عمد باستخدام محاثات أكبر ، بحيث يكونون قادرين على التفاخر بحجم طاقة أكبر من الانهيار الجليدي ، مما يخلق انطباعًا بأن MOSFET يتم اختباره لتحمل طاقات الانهيارات الجليدية الضخمة ، وبالتالي يتمتع بمتانة متزايدة للانهيار الجليدي.

لكن الطريقة المذكورة أعلاه لاستخدام محث أكبر تبدو مضللة ، وهذا هو بالضبط سبب اختبار مهندسي شركة Texas Instruments باستخدام محاثة أصغر بترتيب 0.1 مللي أمبير ، بحيث تتعرض MOSFET قيد الاختبار لمستويات أعلى من الانهيار الجليدي ومستويات ضغط الانهيار الشديد.

لذلك ، في أوراق البيانات ، لا يجب أن تكون طاقة الانهيار الجليدي ، بل تيار الانهيار الجليدي أكبر من حيث الكمية ، مما يعرض صلابة MOSFET بشكل أفضل.

وهذا يجعل الاختبار النهائي شديد الصرامة ويتيح تصفية أكبر عدد ممكن من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET).

لا تُستخدم قيمة الاختبار هذه فقط كقيمة نهائية قبل تمرير تخطيط FET للإنتاج ، ولكن هذه أيضًا هي القيمة التي يتم إدخالها في ورقة البيانات.

في الخطوة التالية ، يتم اشتقاق قيمة الاختبار أعلاه بنسبة 65٪ ، بحيث يكون المستخدم النهائي قادرًا على الحصول على هامش أوسع من التسامح مع MOSFETs.

لذلك على سبيل المثال ، إذا كان تيار الانهيار الجليدي المختبَر 125 أمبير ، فإن القيمة النهائية التي تم إدخالها في ورقة البيانات تكون 81 أمبير ، بعد خفض التيار.

MOSFET Avalanche Current مقابل الوقت الذي تم إنفاقه في الانهيار الجليدي

المعلمة الأخرى المرتبطة بـ Power MOSFET والمذكورة في أوراق البيانات ، خاصة بالنسبة إلى MOSFETs المصممة لتبديل التطبيقات ، هي Avalanche Current Capability مقابل الوقت المستغرق في الانهيار الجليدي. تظهر هذه المعلمة عادةً فيما يتعلق بدرجة حرارة علبة MOSFET عند 25 درجة. أثناء الاختبار ، ترتفع درجة حرارة العلبة إلى 125 درجة.

في هذه الحالة ، تقترب درجة حرارة حالة MOSFET الخاصة بـ MOSFET من درجة حرارة التقاطع الفعلية لقالب السيليكون الخاص بـ MOSFET.

في هذا الإجراء مع زيادة درجة حرارة تقاطع الجهاز ، قد تتوقع رؤية قدر معين من التدهور وهو أمر طبيعي تمامًا؟ ومع ذلك ، إذا أظهرت النتيجة مستوى عالٍ من التدهور ، فقد يشير ذلك إلى علامات ضعف جهاز MOSFET بطبيعته.

لذلك ، من وجهة نظر التصميم ، هناك محاولة للتأكد من أن التدهور لا يتجاوز 30٪ لزيادة درجة حرارة الحالة من 25 إلى 125 درجة.

كيفية حماية MOSFET من الانهيار الجليدي

كما تعلمنا من المناقشات المذكورة أعلاه ، تم تطوير الانهيار الجليدي في MOSFETs بسبب تبديل EMF الخلفي الاستقرائي عالي الجهد من خلال الصمام الثنائي للجسم MOSFET.

إذا تجاوز جهد EMF الخلفي هذا الحد الأقصى لتصنيف الصمام الثنائي للجسم ، فإنه يتسبب في توليد حرارة شديدة في الجهاز وتلف لاحق.

هذا يعني أنه إذا تم السماح للجهد الكهرومغناطيسي الاستقرائي بالمرور عبر الصمام الثنائي الجانبي المصنف بشكل مناسب ، فقد يساعد عبر باعث التصريف في FET في تجنب ظاهرة الانهيار الجليدي.

يقترح الرسم البياني التالي التصميم القياسي لإضافة صمام ثنائي باعث التصريف الخارجي لتقوية الصمام الثنائي الداخلي للجسم في MOSFET.