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失效分析的电测试技术对功率MOS的表征

2025-12-04 10:28:12

    MOSFET共源极连接时的输出特性也称为漏极特性,这时源极接地,漏极和源极分别接在不同的电压源上。以NMOS为例,其输出特性是指当VGS>Vth并保持恒定时,漏极电流ID随漏源电压VDS的变化而变化的规律。MOSFET的输出特性可分为三个不同性质的区域:

    当VDS是一个很小的正值时,整个沟道长度范围内的电势都近似为0,栅极和沟道之间的电势差在沟道区域处处相等,因此沟道中的电子浓度近似相等,此时沟道可视为一个与VDS无关的固定电阻,IDSVDS近似呈线性关系,如下图A阶段,沟道电阻就是这个线性阶段的倒数。而器件的Rdson的确定就是取这个阶段的整个器件的导通电阻;

VDS较大时,沟道电阻将会随VDS的增大而增大,使得IDVDS的增加速率变慢,曲线偏离线性关系,逐渐向下弯曲;

    当VDS大于VDsat时,器件沟道出现夹断现象,夹断点逐渐向源极侧移动,而在有效沟道和高压侧之间隔着一段耗尽区。当沟道中的自由电子到达沟道端头的耗尽区边界时,将力计被耗尽区内强电场拉入漏极。因电子在耗尽区内的漂移速度已经达到了饱和速度,不再随电场的增大而增大,所以此时漏极电流ID也达到了饱和,不再随VDS的增大而增大,如下图BC段;

VDS增大到漏源击穿电压BV时,反偏的PN结(PwellN-漂移区)会因雪崩倍增效应而发生击穿,此时ID将会迅速上升,相当于下图中的CD段。

下面讨论功率MOS中的测试参数导通电阻Rdson、阈值电压Vth和源漏击穿电压BV

导通电阻的测试

MOS工作在非饱和区且VDS较小时,其IDS-VDS曲线是直线,如上图A段所示。这时的MOSFET相当于一个电阻值与VDS无关的固定电阻,定义为RdsonNMOS的导通电阻公式如下:

其中,L为沟道长度,W为沟道宽度,tox为栅氧厚度,μn为沟道电子迁移率,εox为栅氧介电常数。这个公式可以看出,导通电阻是栅压的函数,栅压越大,导通电阻越小。

导通电阻的测试比较简单,根据器件的规格或应用条件,主要是栅压和额定电流,给栅源一个固定的电压值,再漏源两端通入额定电流,测试得到的电阻值就是器件的导通电阻值。

失效分析中,阈值电压漂移、氧化层电荷积累、欧姆接触退化、外部键合退化等都会导致导通电阻测试值的变化。

阈值电压的测试

阈值电压也称开启电压,是MOSFET关键的参数,其定义是使MOS栅极下衬底表面开始发生强反型时的栅极电压,记为Vth,其公式为:

测试阈值电压的方法有很多,工程上惯用的是固定漏极电流法,即给漏源两端通入一个较小的定值电流,同时短接栅极和漏极,源极接地(即VGS=VDS),这时得到的GS两端的电压值即为工程上的阈值电压值。

影响MOS器件可靠性的主要失效机理如热载流子注入(HCI、负偏压不稳定性都会导致MOS阈值的变化,而阈值电压的测试则是呈现这些失效机理的直接表现。

源漏击穿电压的测试

    当漏极电压超过一定数值后,漏极电流会迅速增大,发生源漏击穿,这个击穿可能有两个原因:漏极PN结的雪崩击穿和源漏穿通。对于功率MOS而言主要以雪崩击穿为主。

源漏击穿电压电压的测试与二极管击穿电压的测试类似,保持GS两端短接,给漏极施加脉冲电流(规定值),此时器件源漏两端电压则为器件标称的击穿电压(如想要测试器件极限击穿电压,则是保持VGS=0,步进式增加VDS两端电压,监测IDS漏电值。)

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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失效分析的电测试技术对功率MOS的表征
MOSFET共源极连接时的输出特性也称为漏极特性,这时源极接地,漏极和源极分别接在不同的电压源上。以NMOS为例,其输出特性是指当VGS>Vth并保持恒定时,漏
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