今天这篇聊聊 P-base（P 基区）旁边的 P⁺ 是什么作用。前两篇为了方便看图，没有画出这个 P⁺。

P⁺ 的位置如下图所示，右边是英飞凌 MOSFET 芯片结构。每家芯片都有这个设计，只是具体形状和位置有所区别。这里的P⁺ 是防止 MOSFET 炸管的重要手段。

01 P⁺ 的存在是为了防止 Latch-up（闩shuan锁效应）

如下图所示，由于 MOSFET 的结构，内部天然存在一个寄生的 NPN 三极管（为了方便，图中暂时隐去 P⁺）。"寄生"的意思是结构上存在，但正常工作时不应该被用到。

正常情况下，电子从 Source 的 N⁺ 出发，经过栅极控制的 channel，进入 N-drift，最后到达 Drain，形成导通电流。栅极电压撤掉，channel 关闭，电流随之关断，一切受控。

异常情况下（Latch-up），电子绕过了 channel，从 N⁺ Source 直接穿过 P-base，进入 N-drift，到达 Drain。此时电流不再受栅极控制——该关的时候关不掉，极易与其他电路形成短路大电流，造成器件烧毁。

02 Latch-up 如何发生：空穴电流是根本原因

对于 NPN 三极管，开启的条件是 Base（图中P 区）相对于 Emitter（图中上方的N 区）施加正向电压，超过约 0.7 V 就能导通。

正常工作时，P-base 和 N⁺ Source 之间没有电压差，寄生三极管无法开启。那这个电压差是怎么产生的？

答案是空穴电流。P-base 是 P 型半导体，存在一定的体电阻 R_body。当空穴电流流过 P-base 时，根据欧姆定律：ΔV = I空穴电流 ×R_body

这个压降直接加在了 P-base 和 N⁺ Source 之间，相当于给寄生三极管的施加了开启导通的正向电压。空穴电流越大，压降越大。一旦 ΔV ≥ 0.7 V，寄生三极管导通，Latch-up 发生。

03 空穴电流从哪里来

空穴电流主要有三个来源。

碰撞电离

正常导通时，电子从 Source 经 channel 进入 N-drift，在 P-base / N-drift 结的耗尽区边缘，电场强度达到峰值，电子在此被强烈加速。当动能超过阈值，电子撞击晶格原子，产生新的电子-空穴对。新产生的电子继续向 Drain 流走，空穴则被电场推向 P-base，形成空穴电流。

体二极管导通

MOSFET 由于结构原因，内部始终存在一个体二极管，由 P-base 和 N-drift 构成。

正向导通时（Source 接负，Drain 接正），体二极管反偏，不参与导电，电流通过栅极控制 channel 来流通。几乎全是电子在参与导电。

反向导通时（Source 接正，Drain 接负），体二极管正偏直接导通。此时 P-base 向 N-drift 大量注入空穴，N-drift 中积累了大量空穴。电子和空穴同时参与导电。

关断瞬间，N-drift 中积累的空穴需要被清除，这些空穴集中涌过 P-base 流向 Source，形成反向恢复电流峰值，在 R_body 上产生较大的压降。

开关 dV/dt 引起的空穴移动

在上篇中提到SiC MOSFET 芯片结构解说（二）— 芯片的耐压设计：看懂结构图中的 N⁻ 和 N⁺，MOSFET 关断承压时，P-base / N-drift 之间存在一个耗尽层。

耗尽区里既没有空穴也没有电子，所以耗尽区的变化自然会引起周围空穴和电子的移动。

开启Turn-on：Drain 电压下降，耗尽区收缩

关断Turn-off：Drain 电压上升，耗尽区扩张，P-base 侧的空穴被推向 Source，空穴电流比 Turn-on 时更大。

当 dV/dt 过快，空穴电流瞬间大量流过 P-base，在寄生三极管的 PN 之间形成压降。

04 P⁺ 如何解决这个问题

分析到这里，解决思路已经很清楚了：

ΔV = I空穴电流 × R_body

空穴电流客观存在，难以消除。那就减小 R_body。

在 N⁺ Source 下方紧邻区域注入高浓度 P⁺，其掺杂浓度比 P-base 高 1～2 个数量级，局部电阻率大幅下降。空穴电流流过 P⁺ 区时，ΔV 远低于 0.7 V，寄生三极管的无法建立正向偏置电压，Latch-up 的触发条件始终不满足。

05 什么时候最容易发生 Latch-up

三种空穴电流来源中，体二极管的反向恢复产生的空穴电流最大。

实际工况中，最危险的时刻是强制开通（Forced Turn-on during Reverse Recovery）：体二极管刚刚续流完毕，N-drift 中已经积累了大量注入的空穴，此时器件自身强制 Turn-on。

这一瞬间同时发生：

反向恢复：N-drift 中积累的空穴被大量抽回 P-base，空穴电流在此刻达到峰值

沟道电流快速建立：电流密度瞬间极大

碰撞电离加剧：大电流进一步引发碰撞电离，产生额外空穴

三者叠加，ΔV 在所有工况中最大，是触发 Latch-up 风险最高的时刻。高温会进一步加剧这一风险——温度越高，N-drift 中积累的空穴越多，反向恢复电流峰值越大。

06 总结

碰撞电离、体二极管导通、高速开关三种来源产生空穴电流。

空穴电流流过 P-base 的体电阻，产生压降 ΔV = I × R。

当 ΔV 超过约 0.7 V，寄生 NPN 三极管导通，Latch-up 发生，栅极失去控制，器件面临烧毁风险。

在 P-base 旁加入 P⁺，就是通过降低体电阻来压低这个压降，从根本上抑制 Latch-up。

来源： SiC产学研

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