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MOS工作原理及失效分析

其他|other else|

2023-02-23 10:31:07 806

MOS管是金屬（metal）氧化物（oxide）半導(dǎo)體（semiconductor）場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬絕緣體（insulator）半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。

MOS管是FET的一種(另一種是JFET)，可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。

對于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。

MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細(xì)介紹。

在MOS管工作原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅(qū)動感性負(fù)載(如馬達(dá))，這個二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。

一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。本文使用的為增強(qiáng)型MOS

MOS管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見mos管工作原理圖。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。由圖可看出，對于N溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對于P溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。

為解釋MOS管工作原理圖，我們先了解一下僅含有一個P—N結(jié)的二極管的工作過程。如圖所示，我們知道在二極管加上正向電壓（P端接正極，N端接負(fù)極）時，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過。這是因為在P型半導(dǎo)體端為正電壓時，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當(dāng)二極管加上反向電壓（P端接負(fù)極，N端接正極）時，這時在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動，其PN結(jié)沒有電流通過，二極管截止。

對于MOS管（見圖），在柵極沒有電壓時，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會有電流流過，此時MOS管與截止?fàn)顟B(tài)（圖a）。當(dāng)有一個正電壓加在N溝道的MOS管。

目前在市場應(yīng)用方面，排名*的是消費(fèi)類電子電源適配器產(chǎn)品。而MOS管的應(yīng)用領(lǐng)域排名第二的是計算機(jī)主板、NB、計算機(jī)類適配器、LCD顯示器等產(chǎn)品，隨著國情的發(fā)展計算機(jī)主板、計算機(jī)類適配器、LCD顯示器對MOS管的需求有要超過消費(fèi)類電子電源適配器的現(xiàn)象了。

第三的就屬網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車電子以及電力設(shè)備領(lǐng)域了，這些產(chǎn)品對于MOS管的需求也是很大的，特別是現(xiàn)在汽車電子對于MOS管的需求直追消費(fèi)類電子了。

使用探針臺搭配源表，測試晶圓級MOS

下面對MOS失效的原因總結(jié)以下六點，然后對1，2重點進(jìn)行分析：

1：雪崩失效（電壓失效），也就是我們常說的漏源間的BVdss電壓超過MOSFET的額定電壓，并且超過達(dá)到了一定的能力從而導(dǎo)致MOSFET失效。

2：SOA失效（電流失效），既超出MOSFET安全工作區(qū)引起失效，分為Id超出器件規(guī)格失效以及Id過大，損耗過高器件長時間熱積累而導(dǎo)致的失效。

3：體二極管失效：在橋式、LLC等有用到體二極管進(jìn)行續(xù)流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于體二極管遭受破壞而導(dǎo)致的失效。

4：諧振失效：在并聯(lián)使用的過程中，柵極及電路寄生參數(shù)導(dǎo)致震蕩引起的失效。

5：靜電失效：在秋冬季節(jié)，由于人體及設(shè)備靜電而導(dǎo)致的器件失效。

6：柵極電壓失效：由于柵極遭受異常電壓尖峰，而導(dǎo)致柵極柵氧層失效。

雪崩失效分析（電壓失效）

到底什么是雪崩失效呢，簡單來說MOSFET在電源板上由于母線電壓、變壓器反射電壓、漏感尖峰電壓等等系統(tǒng)電壓疊加在MOSFET漏源之間，導(dǎo)致的一種失效模式。簡而言之就是由于就是MOSFET漏源極的電壓超過其規(guī)定電壓值并達(dá)到一定的能量限度而導(dǎo)致的一種常見的失效模式。

可能我們經(jīng)常要求器件生產(chǎn)廠家對我們電源板上的MOSFET進(jìn)行失效分析，大多數(shù)廠家都僅僅給一個EAS.EOS之類的結(jié)論，那么到底我們怎么區(qū)分是否是雪崩失效呢，下面是一張經(jīng)過雪崩測試失效的器件圖，我們可以進(jìn)行對比從而確定是否是雪崩失效。

雪崩失效的預(yù)防措施

雪崩失效歸根結(jié)底是電壓失效，因此預(yù)防我們著重從電壓來考慮。具體可以參考以下的方式來處理。

1：合理降額使用，目前行業(yè)內(nèi)的降額一般選取80%-95%的降額，具體情況根據(jù)企業(yè)的保修條款及電路關(guān)注點進(jìn)行選取。

2：合理的變壓器反射電壓。

3：合理的RCD及TVS吸收電路設(shè)計。

4：大電流布線盡量采用粗、短的布局結(jié)構(gòu)，盡量減少布線寄生電感。

5：選擇合理的柵極電阻Rg。

6：在大功率電源中，可以根據(jù)需要適當(dāng)?shù)募尤隦C減震或齊納二極管進(jìn)行吸收。

SOA失效（電流失效）

再簡單說下第二點，SOA失效

SOA失效是指電源在運(yùn)行時異常的大電流和電壓同時疊加在MOSFET上面，造成瞬時局部發(fā)熱而導(dǎo)致的破壞模式。或者是芯片與散熱器及封裝不能及時達(dá)到熱平衡導(dǎo)致熱積累，持續(xù)的發(fā)熱使溫度超過氧化層限制而導(dǎo)致的熱擊穿模式。

關(guān)于SOA各個線的參數(shù)限定值可以參考。

1：受限于最大額定電流及脈沖電流

2：受限于最大節(jié)溫下的RDSON。

3：受限于器件最大的耗散功率。

4：受限于最大單個脈沖電流。

5：擊穿電壓BVDSS限制區(qū)

我們電源上的MOSFET，只要保證能器件處于上面限制區(qū)的范圍內(nèi)，就能有效的規(guī)避由于MOSFET而導(dǎo)致的電源失效問題的產(chǎn)生。

這個是一個非典型的SOA導(dǎo)致失效的一個解刨圖，由于去過鋁，可能看起來不那么直接，參考下。

SOA失效的預(yù)防措施：

1：確保在最差條件下，MOSFET的所有功率限制條件均在SOA限制線以內(nèi)。

2：將OCP功能一定要做精確細(xì)致。

在進(jìn)行OCP點設(shè)計時，一般可能會取1.1-1.5倍電流余量的工程師居多，然后就根據(jù)IC的保護(hù)電壓比如0.7V開始調(diào)試RSENSE電阻。有些有經(jīng)驗的人會將檢測延遲時間、CISS對OCP實際的影響考慮在內(nèi)。但是此時有個更值得關(guān)注的參數(shù)，那就是MOSFET的Td（off）。

電流波形在快到電流尖峰時，有個下跌，這個下跌點后又有一段的上升時間，這段時間其本質(zhì)就是IC在檢測到過流信號執(zhí)行關(guān)斷后，MOSFET本身也開始執(zhí)行關(guān)斷，但是由于器件本身的關(guān)斷延遲，因此電流會有個二次上升平臺，如果二次上升平臺過大，那么在變壓器余量設(shè)計不足時，就極有可能產(chǎn)生磁飽和的一個電流沖擊或者電流超器件規(guī)格的一個失效。

3：合理的熱設(shè)計余量，這個就不多說了，各個企業(yè)都有自己的降額規(guī)范，嚴(yán)格執(zhí)行就可以了，不行就加散熱器。

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