摘要：本文闡述了各安全工作區的物理概念和超安全工作區工作的失效機理。討論了短路持續時間Tsc和柵壓Vg、集電極—發射極導通電壓Vce(on)及短路電流Isc的關系。

關鍵詞：安全工作區  失效機理  短路電流Tsc

1、  引言

半導體功率器件失效的原因多種多樣。換效后進行換效分析也是十分困難和復雜的。其中失效的主要原因之一是超出安全工作區（Safe Operating Area簡稱SOA）使用引起的。因此全面了解SOA，并在使用中將IGBT的最大直流電流IC和集電極—發射極電壓Vce控制在SOA之內是十分重要的。SOA分為正偏安全工作區（FBSOA）、反偏安全工作區（RBSOA）、開關安全工作區（SSOA）和短路安全工作區（SCSOA）。

2、  各安全工作區的物理概念

IGBT的SOA表明其承受高壓大電流的能力，是可靠性的重要標志。

2.1正偏安全工作區（FBSOA）

FBSO是處于Vge>閾值電壓Vth的輸出特性曲線的有源區之內，如圖1所示。圖1中ABCDO所包圍的區域為直流安全工作區。AB段為tc=80℃限制的最大直流電流Ic。B點對應的IC和Vce的乘積等于最大耗散功率Pcm。BC段為等功耗線。CD段為二次擊穿限制的安全工作區的邊界，此段不是等功耗。隨著Vce的增加功耗下降，Vce越高功耗越低。這說明高電壓強電場狀態更容易出現失效。

由圖1可見，隨著脈沖寬度減小SOA擴大。這里要說明的是手冊給的FBSOA，除DCSOA之外。一定脈沖寬度下的脈沖SOA，均是單脈沖安全工作區。而且FBSOA只考慮導通損耗，不包括開關損耗。所以FBSOA只適用功率放大器的A類、B類及短路工作沒有開關損耗的工作狀態。對于一定脈寬和占空比的連續工作，其安全工作區應使用瞬態熱阻曲線的計算來確定。

2.2反偏安全工作區（RBSOA）

RBSOA是表明在箝位電感負載時，在額定電壓下關斷最大箝位電感電流Ilm的能力。Ilm一般是最大DC額定電流的兩倍，而額定電壓接近反向擊穿電壓。PT型IGBT和NPT型IGBT的反偏安全工作區略有不同。PT型IGBT的RBSOA是梯形SOA，NPT型IGBT的RBSO是矩形SOA。如圖2所示。可見NPT型IGBT。在額定電壓下關斷箝位電感電流的能力強于PT型IGBT。因此，PT型IGBT不適用于電感負載電路和馬達驅動等電路，而且短路持續時間TSC較短，一般不給出短路安全工作區。所以，NPT型IGBT的可靠性高于PT型IGBT。

2.3開關安全工作區（SSOA）

開關字全工作區如圖3所示。由圖2和圖3可見，SSOA和RBSOA相似，都是矩形的。所不同的是RBSOA只考慮關斷時承受高電壓大電感電流的能力。SSOA不僅考慮關斷狀態，同時也考慮開啟瞬間。所以SSOA兼顧FBSOA和RBSOA兩種狀態的考慮。另外，縱坐標的電流，RBSOA是Iim ；而SSOA是最大脈沖電流Icm。一個是最大箝位電感電流，一個是最大脈沖電流。而且兩者在手冊中給出的數值又是相等的。現在有的公司只給出SSOA，不再給出FBSOA和RBSOA。在IGBT開啟時，往往是Vce沒有降下來，Ic就達到負載電流Il。在有續流作用時還要達到Ic +Ir r m。Ir r m為續流二極管的最大反向恢復電流，因此導通過程也存在高壓大電流狀態。

2.4短路安全工作區（SCSOA）

SCSOA是IGBT C—E間處于高壓(額定反向電壓)下，G—E間突然加上過高的柵壓Vg，過高Vg和高垮導的作用出現短路狀態，其短路電流ISC可高達10倍的額定電流IC。這和SSOA的開通狀態比較相似，但ISC>Icm。在整個短路時間Tsc中，IGBT始終處于導通狀態。在此狀態下IGBT的耗能在四種安全工作區最大，出現失效的幾率也最高。SCSOA如圖4所示。

3、  超SOA的失效機理

安全工作區，顧各思義工作在SOA內是安全的，超出將是不安全的，或引起失效。由于四種安全工作區的偏置狀態不同，超出SOA的失效機理也是不同的。FBSOA、SCSOA和SSOA的開啟狀態均為正偏，而RBSOA為反偏。眾所周知，IGBT失效的主要原因是寄生SCR的鎖定（Latch-up）和超結溫tj工作出現的燒毀。

（1）RBSOA的失效：在額定電壓下關斷箝位電感電流Ilm時，由于關斷來自IGBT發射極的溝道電子電流，寄生PNP管發射極注入到高阻漂移區（PNP管的是基區）的少子空穴一部經過PNP管的基區從IGBT的發射極流出。當該空穴電流Ih在NPN管的基區電阻R b上壓降Ih·R≥0.7V時，NPN管導通，其共基極放大系數αnpn迅速增大。同時由于PNP管的集電極處于高壓，集電結耗盡層寬度（Xm）很寬，使PNP管的有效基區Wb變窄，α pnp也增大。當α npn+α pnp1時出現動態鎖定而燒毀。因此直角安全區是IGBT可靠性的重要標志。由圖2可見NPT型IGBT具有直角SOA，而PT型IGBT是梯形安全工作區。這說明PT型IGBT在額定電壓下關斷的箝位電感電流Ilm比NPT型IGBT要小。其抗高壓大電流沖擊能力和短路能力都不如NPT型IGBT。

對于SSOA的關斷失效機理和RBSOA的失效是相同的。

對于FBSOA、SCSOA和SSOA的開啟狀態，三者都工作在有源區的高壓大電流狀態，因為處于正偏而瞬間電流為DC額定電流的2-10倍。IGBT中寄生的NPN管和PNP管的α npn和α pnp均隨工作電流的增加而增大。當α npn+αpnp1時出現靜態鎖定燒毀。

（2）SCSOA的失效：由于短路電流ISC可能高達10倍于直流額定電流，在短路時間TSC內產生的焦耳熱過量，來不及消散而產生熱燒毀。

例如：100A 1200V的NPN型IGBT，當TSC=10μs時產生的能量：

ESC=Vce·Ic·Tsc=12焦耳。

該能量產生在P阱PN結耗盡層X m中，耗盡層中的電場ε=1200V/Xm。這時，Xm （1200V）約為200μm，所以ε=6×104V/cm。定義εm≥3×104V/cm為強電場，現在，ε>εm電子在強電場下的漂移速度達到飽和。飽和的原因是強電場下光學波聲子散射，通過光學波聲子散射將外電場的能量傳遞給遭散射的晶格。量子物理提出一個基本事實：“盡管在固體里面電子是在密集的原子之間高速運動，只要這些原子按嚴格的周期性排列，電子的高速運動并不遭受散射”。Si單晶片和外延片中的缺陷就是晶格周期排列的破壞。缺陷密度大的部位散射截面就大，這時，從外電場接受的能量就多，該部位晶格振動就劇烈，使晶格溫度t1升高。當t1大于硅的熔點(1415℃)時，出現Si熔洞而燒毀。這就是為什么燒毀的器件解剖后均發現Si熔洞的原因。這里我們從超出SCSOA的應用為例對燒毀機理做了上述分析。對于超出SCSOA的應用為例對燒毀機理做了上述分析。對于超出FBSOA、SSOA和RBSOA一樣，只要偏置電壓和偏置電壓對應的耗盡層寬度Xm之比大于3×104V/cm，均可能產生上述燒毀。

解剖發現Si熔洞的面積A si約100μm2~1mm2。晶格溫度為：

T1=Ic·Vce·Tsc/Dsi ·Csii·Asi·X m       （1）

式中Dsi和Csi分別為Si比重和熱比。Csi=0.7焦耳/克℃，Dsi=2.328克/cm3。我們假設在10μs的短路時間內產生能量的10%讓強散射區吸收，并取Asi=1mm2，將相關數據代入（1）式得：t1=3600℃。該溫度已大大超過Si的熔點1415℃，難怪燒毀后的Si片出現熔洞。