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电动车控制器MOS管击穿主要原因有三种及解决方案-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-10-04 

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MOS在控制器电路中的工作状态

开通过程、导通状态、关断过程、截止状态、击穿状态。  

MOS主要损耗包括开关损耗(开通过程和关断过程),导通损耗,截止损耗(漏电流引起的,这个忽略不计),还有雪崩能量损耗。只要把这些损耗控制在MOS承受规格之内,MOS即会正常工作,超出承受范围,即发生损坏。

而开关损耗往往大于导通状态损耗,尤其是PWM没完全打开,处于脉宽调制状态时(对应电动车的起步加速状态),而最高急速状态往往是导通损耗为主。


MOS损坏主要原因

过流,大电流引起的高温损坏(分持续大电流和瞬间超大电流脉冲导致结温超过承受值);过压,源漏级大于击穿电压而击穿;栅极击穿,一般由于栅极电压受外界或驱动电路损坏超过允许最高电压(栅极电压一般需低于20v安全)以及静电损坏。


MOSFET的击穿有哪几种

Source、Drain、Gate

场效应管的三极:源级S 漏级D 栅级G

(这里不讲栅极GOX击穿了啊,只针对漏极电压击穿)

先讲测试条件,都是源栅衬底都是接地,然后扫描漏极电压,直至Drain端电流达到1uA。所以从器件结构上看,它的漏电通道有三条:Drain到source、Drain到Bulk、Drain到Gate。


1) Drain->Source穿通击穿

这个主要是Drain加反偏电压后,使得Drain/Bulk的PN结耗尽区延展,当耗尽区碰到Source的时候,那源漏之间就不需要开启就形成了通路,所以叫做穿通(punch through)。那如何防止穿通呢?这就要回到二极管反偏特性了,耗尽区宽度除了与电压有关,还与两边的掺杂浓度有关,浓度越高可以抑制耗尽区宽度延展,所以flow里面有个防穿通注入(APT: Anti Punch Through),记住它要打和well同type的specis。当然实际遇到WAT的BV跑了而且确定是从Source端走了,可能还要看是否PolyCD或者Spacer宽度,或者LDD_IMP问题了,那如何排除呢?这就要看你是否NMOS和PMOS都跑了?POLY CD可以通过Poly相关的WAT来验证。对吧?


对于穿通击穿,有以下一些特征:

(1)穿通击穿的击穿点软,击穿过程中,电流有逐步增大的特征,这是因为耗尽层扩展较宽,产生电流较大。另一方面,耗尽层展宽大容易发生DIBL效应,使源衬底结正偏出现电流逐步增大的特征。

(2)穿通击穿的软击穿点发生在源漏的耗尽层相接时,此时源端的载流子注入到耗尽层中,

被耗尽层中的电场加速达到漏端,因此,穿通击穿的电流也有急剧增大点,这个电流的急剧增大和雪崩击穿时电流急剧增大不同,这时的电流相当于源衬底PN结正向导通时的电流,而雪崩击穿时的电流主要为PN结反向击穿时的雪崩电流,如不作限流,雪崩击穿的电流要大。

(3)穿通击穿一般不会出现破坏性击穿。因为穿通击穿场强没有达到雪崩击穿的场强,不会产生大量电子空穴对。

(4)穿通击穿一般发生在沟道体内,沟道表面不容易发生穿通,这主要是由于沟道注入使表面浓度比浓度大造成,所以,对NMOS管一般都有防穿通注入。

(5)一般的,鸟嘴边缘的浓度比沟道中间浓度大,所以穿通击穿一般发生在沟道中间。

(6)多晶栅长度对穿通击穿是有影响的,随着栅长度增加,击穿增大。而对雪崩击穿,严格来说也有影响,但是没有那么显著。


2) Drain->Bulk雪崩击穿

这就单纯是PN结雪崩击穿了(Avalanche Breakdown),主要是漏极反偏电压下使得PN结耗尽区展宽,则反偏电场加在了PN结反偏上面,使得电子加速撞击晶格产生新的电子空穴对(Electron-Hole pair),然后电子继续撞击,如此雪崩倍增下去导致击穿,所以这种击穿的电流几乎快速增大,I-V curve几乎垂直上去,很容烧毁的。(这点和源漏穿通击穿不一样)

那如何改善这个junction BV呢?所以主要还是从PN结本身特性讲起,肯定要降低耗尽区电场,防止碰撞产生电子空穴对,降低电压肯定不行,那就只能增加耗尽区宽度了,所以要改变doping profile了,这就是为什么突变结(Abrupt junction)的击穿电压比缓变结(Graded Junction)的低。这就是学以致用,别人云亦云啊。

当然除了doping profile,还有就是doping浓度,浓度越大,耗尽区宽度越窄,所以电场强度越强,那肯定就降低击穿电压了。而且还有个规律是击穿电压通常是由低浓度的那边浓度影响更大,因为那边的耗尽区宽度大。公式是BV=K*(1/Na+1/Nb),从公式里也可以看出Na和Nb浓度如果差10倍,几乎其中一个就可以忽略了。

那实际的process如果发现BV变小,并且确认是从junction走的,那好好查查你的Source/Drain implant了


3) Drain->Gate击穿

这个主要是Drain和Gate之间的Overlap导致的栅极氧化层击穿,这个有点类似GOX击穿了,当然它更像Poly finger的GOX击穿了,所以他可能更care poly profile以及sidewall damage了。当然这个Overlap还有个问题就是GIDL,这个也会贡献Leakage使得BV降低。

上面讲的就是MOSFET的击穿的三个通道,通常BV的case以前两种居多。

上面讲的都是Off-state下的击穿,也就是Gate为0V的时候,但是有的时候Gate开启下Drain加电压过高也会导致击穿的,我们称之为On-state击穿。这种情况尤其喜欢发生在Gate较低电压时,或者管子刚刚开启时,而且几乎都是NMOS。所以我们通常WAT也会测试BVON,

不要以为很奇怪,但是测试condition一定要注意,Gate不是随便加电压的哦,必须是Vt附近的电压。(本文开始我贴的那张图,Vg越低时on-state击穿越低)

有可能是Snap-back导致的,只是测试机台limitation无法测试出标准的snap-back曲线。另外也有可能是开启瞬间电流密度太大,导致大量电子在PN结附近被耗尽区电场加速撞击。


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