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内阻很小的MOS管为什么会发热?

发布时间:2022-05-04作者来源:萨科微浏览:466


Source、Drain、Gate分别对应场效应管的三极:源极S、漏极D、栅极G(这里不讲栅极GOX击穿,只针对漏极电压击穿)。


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MOSFET的击穿有哪几种?


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。


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。



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2

如何处理mos管小电流发热严重情况?


mos管,做电源设计,或者做驱动方面的电路,难免要用到MOS管MOS管有很多种类,也有很多作用。做电源或者驱动的使用,当然就是用它的开关作用。


无论N型或者P型MOS管,其工作原理本质是一样的。MOS管是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。


MOS管是压控器件它通过加在栅极上的电压控制器件的特性,不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电荷存储效应,因此在开关应用中,MOS管的开关速度应该比三极管快。


我们经常看MOS管的PDF参数,MOS管制造商采用RDS(ON)参数来定义导通阻抗,对开关应用来说,RDS(ON)也是最重要的器件特性。


数据手册定义RDS(ON)与栅极(或驱动)电压VGS以及流经开关的电流有关,但对于充分的栅极驱动,RDS(ON)是一个相对静态参数。一直处于导通的MOS管很容易发热。另外,慢慢升高的结温也会导致RDS(ON)的增加。


MOS管数据手册规定了热阻抗参数,其定义为MOS管封装的半导体结散热能力。RθJC的最简单的定义是结到管壳的热阻抗。


1、mos管小电流发热的原因:


1)电路设计的问题:就是让MOS管工作在线性的工作状态,而不是在开关状态,这也是导致MOS管发热的一个原因。


如果N-MOS做开关,G级电压要比电源高几V,才能完全导通,P-MOS则相反。没有完全打开而压降过大造成功率消耗,等效直流阻抗比较大,压降增大,所以U*I也增大,损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误。


2)频率太高:主要是有时过分追求体积,导致频率提高,MOS管上的损耗增大了,所以发热也加大了。


3)没有做好足够的散热设计:电流太高,MOS管标称的电流值,一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流,也可能发热严重,需要足够的辅助散热片。


4)MOS管的选型有误:对功率判断有误,MOS管内阻没有充分考虑,导致开关阻抗增大。


2、mos管小电流发热严重怎么解决:


  • 0做好MOS管的散热设计,添加足够多的辅助散热片。

  • 贴散热胶。



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MOS管为什么可以防止电源反接?


电源反接,会给电路造成损坏,不过,电源反接是不可避免的。所以,我们就需要给电路中加入保护电路,达到即使接反电源,也不会损坏的目的。


一般可以使用在电源的正极串入一个二极管解决,不过,由于二极管有压降,会给电路造成不必要的损耗,尤其是电池供电场合,本来电池电压就3.7V,你就用二极管降了0.6V,使得电池使用时间大减。


MOS管防反接,好处就是压降小,小到几乎可以忽略不计。现在的MOS管可以做到几个毫欧的内阻,假设是6.5毫欧,通过的电流为1A(这个电流已经很大了),在他上面的压降只有6.5毫伏。

由于MOS管越来越便宜,所以人们逐渐开始使用MOS管防电源反接了。


1)NMOS管防止电源反接电路:

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  • 正确连接时:

    刚上电,MOS管的寄生二极管导通,所以S的电位大概就是0.6V,而G极的电位,是VBAT,VBAT-0.6V大于UGS的阀值开启电压,MOS管的DS就会导通,由于内阻很小,所以就把寄生二极管短路了,压降几乎为0。


  • 电源接反时:

    UGS=0,MOS管不会导通,和负载的回路就是断的,从而保证电路安全。


2)PMOS管防止电源反接电路:


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  • 正确连接时:

    刚上电,MOS管的寄生二极管导通,电源与负载形成回路,所以S极电位就是VBAT-0.6V,而G极电位是0V,PMOS管导通,从D流向S的电流把二极管短路。


  • 电源接反时:

    G极是高电平,PMOS管不导通。保护电路安全。


连接技巧:NMOS管DS串到负极,PMOS管DS串到正极,让寄生二极管方向朝向正确连接的电流方向。

感觉DS流向是“反”的?仔细的朋友会发现,防反接电路中,DS的电流流向,和我们平时使用的电流方向是反的。

 

为什么要接成反的利用寄生二极管的导通作用,在刚上电时,使得UGS满足阀值要求。

 

为什么可以接成反的?如果是三极管,NPN的电流方向只能是C到E,PNP的电流方向只能是E到C。不过,MOS管的D和S是可以互换的,这也是三极管MOS管的区别之一。



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4

MOS管功率损耗测量


MOSFET/IGBT的开关损耗测试是电源调试中非常关键的环节,但很多工程师对开关损耗的测量还停留在人工计算的感性认知上,PFC MOSFET的开关损耗更是只能依据口口相传的经验反复摸索,那么该如何量化评估呢?

1、功率损耗的原理图和实测图


一般来说,开关管工作的功率损耗原理图如图 1所示,主要的能量损耗体现在“导通过程”和“关闭过程”,小部分能量体现在“导通状态”,而关闭状态的损耗很小几乎为0,可以忽略不计。


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实际的测量波形图一般如图 2所示:


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2、MOSFET和PFC MOSFET的测试区别


对于普通MOS管来说,不同周期的电压和电流波形几乎完全相同,因此整体功率损耗只需要任意测量一个周期即可。


但对于PFC MOS管来说,不同周期的电压和电流波形都不相同,因此功率损耗的准确评估依赖较长时间(一般大于10ms),较高采样率(推荐1G采样率)的波形捕获,此时需要的存储深度推荐在10M以上,并且要求所有原始数据(不能抽样)都要参与功率损耗计算,实测截图如图 3所示。


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现在搞懂完如何处理MOS管小电流发热问题了吧,希望今天的分享能帮助到大家~




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