关于《Investigation on Single Pulse Failure of Avalanche Transistors Triggered by Voltage Ramps in Marx Bank Circuits》的学术报告
研究作者及发布信息
该研究由Kaijun Wen、Lin Liang（Senior Member, IEEE）、Haoyang Fei、Ziyang Zhang和Xiaoxue Yan等学者共同完成，作者隶属于中国华中科技大学（Huazhong University of Science and Technology）的State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Technology和Power Electronics and Energy Management Key Laboratory。论文发表于IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 39, No. 9，发布日期为2024年9月。
研究背景和意义
该工作主要聚焦于脉冲功率领域中的Marx Bank电路（MBC）和雪崩型双极结型晶体管（Avalanche Bipolar Junction Transistor, ABJT）的触发失效机制。MBC是一种广泛用于高重复频率、高电压窄脉冲生成的电路架构，而ABJT在基于其优势（如超快开关速度、高电流密度、紧凑尺寸等）下成为MBC的重要功率开关组件。然而，ABJT在由电压斜率（dv/dt）触发时容易导致失效的问题严重影响其可靠性，限制了其在高重复频率脉冲应用中的发展。
研究的目的是探讨为何不同dv/dt下的ABJT触发会表现出显著的可靠性差异，分析其在单次开关事件下的降级和失效特性，明确导致ABJT失效的机制，并为MBC优化提供参考。
研究流程与方法
实验设置与测试：
- 研究通过构建1×3级的MBC电路（包括3个电容和ABJT开关单元）进行实验。开关组件分别选用了320 V/180 V的ABJT（型号为FMMT417）与500 V的MOSFET，目的是生成不同触发速度的电压斜率（1 V/ns、6 V/ns和100 V/ns）。
- 使用高压探针和示波器采集波形，测试ABJT在不同dv/dt触发条件下的开关行为及失效现象。
开关波形与降级特性：
- 测试显示，当dv/dt较低（如1 V/ns或6 V/ns）时，第一阶段ABJT（Q2）更容易发生降级和单次失效。实验记录表明，1 V/ns触发下的ABJT通常在单次开关事件后失效，而6 V/ns条件下虽能多次开关，但寿命远低于产品规范中的预期开关次数（约4×10¹¹次）。
- 对比发现，Q3在100 V/ns高dv/dt触发条件下，具有显著高的可靠性且不存在降级现象。
电流路径和失效观察：
- 使用光子发射显微镜（PEM）观察成功导通与失效状态下的电流路径分布。结果表明：
- 成功导通时，电流路径集中于晶体管中心。
- 失效后，c-b结的漏电流路径显著集中于边缘区域并表现出局部过热现象。
- 进一步通过离子研磨技术确认失效点位于c-b结的边角处，尺寸约为10-20 μm。
数值模拟与分析：
- 基于实际器件的掺杂分布和几何结构，使用Sentaurus TCAD软件模拟电压斜率触发下的瞬态过程，重点分析低dv/dt触发器件中电流路径的形成及热效应。
- 模拟结果显示，在低dv/dt条件下，位于e-b结边缘的电流路径易形成致命的热斑，而在高dv/dt条件下，中心电流路径更稳定，有效避免了局部过热和单次失效。
热失控与关断失效：
- 对于已热损伤的ABJT，关断时漏电流会迅速增加，导致热失控和再触发。模拟表明，漏电流触发的电流丝现象（current filamentation）是关断阶段不可逆失败的主要原因。
影响因素与触发条件优化：
- dv/dt触发效率受导通区域内注入电子模式、e-b短路点位置、电场分布等因素影响。模拟和公式分析验证临界dv/dt的值接近100 V/ns，建议MBC应尽可能提高触发dv/dt以增强可靠性。
研究主要结果
单次事件下的降级与失效：
- 在低dv/dt条件下（如1 V/ns），ABJT在开关过程中形成边缘电流路径，局部过热（温度达1100 K）导致c-b结退化并最终失效。
- 高dv/dt（100 V/ns）触发稳定形成中心电流路径，热分布均匀且不存在显著降级现象。
热失控与电流丝现象：
- 由于c-b结过热损伤形成高漏电区域，关断时电场集中在破坏点处，导致电流丝反复生成并诱发热失控。
触发触发条件与设计改进：
- 模拟和实验均表明，提高dv/dt（接近100 V/ns）是避免热失效的重要措施；优化器件短路点分布和c-b电场端面设计有助于减少边缘漏电现象。
- 减小触发速度的非均匀性和扩大触发区域是优化MBC拓扑稳定性的关键。
研究意义与价值
这项研究明确了基于低dv/dt触发的ABJT在MBC拓扑中的降级与失效机制，特别是揭示了电流丝形成（current filamentation）及其导致的热失控与局部过热是失效的核心机理。该研究对于以下两个方面具有重要意义： 1. 理论贡献： - 提出了低dv/dt触发ABJT的失效特性与热力学行为之间的关系，为未来开发高可靠性脉冲功率半导体器件提供了理论支持。 - 通过实验和模拟结合，验证了触发电压斜率对导通路径、过热分布和器件降级寿命具有关键影响。
- 实用价值：
- 提供了优化MBC拓扑和ABJT设计的具体思路，如改善端面场抑制、设计快速触发电路等。
- 拓展了ABJT在高重复频率和高电压脉冲生成器中的潜在应用前景，例如超宽带雷达、生物电疗和材料改性等。
研究亮点与创新
- 实验与模拟结合： 通过光子发射显微观察与数值模拟相辅相成，揭示了电流路径演化与失效机理。
- 明确的dv/dt触发准则： 提出可定量分析的临界dv/dt（∼100 V/ns）公式，为触发条件优化提供了理论依据。
- 失效模式分析： 系统揭示了因低dv/dt触发形成边缘电流路径的热失效过程，并探讨了关断阶段电流丝导致的热失控现象。
总结
该研究为提高MBC拓扑电路的可靠性提供了突破性思路。通过揭示ABJT在单次低dv/dt触发条件下的电流路径、热失效特性以及优化策略，这项研究不仅有助于提升脉冲功率装置的性能和可靠性，还为推动前沿的半导体器件设计开辟了新方向。