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MOS在控制器电路中的工作状态

开通(tong)过程、导(dao)通(tong)状态(tai)(tai)(tai)、关断过程、截止状态(tai)(tai)(tai)、击穿状态(tai)(tai)(tai)。  

MOS主要损(sun)(sun)耗(hao)包括(kuo)开(kai)关损(sun)(sun)耗(hao)（开(kai)通过(guo)程和关断(duan)过(guo)程），导(dao)通损(sun)(sun)耗(hao)，截止损(sun)(sun)耗(hao)（漏电流(liu)引起(qi)的，这(zhei)个忽(hu)略不计(ji)），还有(you)雪崩能量损(sun)(sun)耗(hao)。只要把(ba)这(zhei)些(xie)损(sun)(sun)耗(hao)控制(zhi)在MOS承受规格之内，MOS即(ji)会(hui)正常工作，超(chao)出承受范围(wei)，即(ji)发生(sheng)损(sun)(sun)坏。

而开(kai)关(guan)损耗(hao)(hao)往往大于(yu)导通状(zhuang)态(tai)损耗(hao)(hao)，尤其(qi)是PWM没(mei)完(wan)全打开(kai)，处于(yu)脉宽调制状(zhuang)态(tai)时（对应电(dian)动车的起步加速状(zhuang)态(tai)），而最高急速状(zhuang)态(tai)往往是导通损耗(hao)(hao)为主。

MOS损坏主要原因

过(guo)流(liu)，大电(dian)(dian)流(liu)引起的高温损坏（分(fen)持续(xu)大电(dian)(dian)流(liu)和瞬(shun)间(jian)超(chao)大电(dian)(dian)流(liu)脉冲导致(zhi)结温超(chao)过(guo)承(cheng)受值(zhi)）；过(guo)压，源漏级大于击穿(chuan)电(dian)(dian)压而击穿(chuan)；栅(zha)极击穿(chuan)，一般由(you)于栅(zha)极电(dian)(dian)压受外界或(huo)驱动电(dian)(dian)路(lu)损坏超(chao)过(guo)允许最高电(dian)(dian)压（栅(zha)极电(dian)(dian)压一般需低于20v安全）以及静(jing)电(dian)(dian)损坏。

MOSFET的击穿有哪几种

Source、Drain、Gate

场(chang)效应管的(de)三极:源级(ji)S 漏级(ji)D 栅级(ji)G

(这里不讲栅极(ji)GOX击穿了啊(a)，只针(zhen)对漏极(ji)电(dian)压击穿)

先讲测试条件(jian)，都(dou)是(shi)源栅衬底都(dou)是(shi)接(jie)地，然后扫描漏(lou)极电(dian)压，直至(zhi)Drain端电(dian)流达到(dao)(dao)1uA。所以从器件(jian)结构上看，它的漏(lou)电(dian)通道有三条：Drain到(dao)(dao)source、Drain到(dao)(dao)Bulk、Drain到(dao)(dao)Gate。

1) Drain->Source穿通击穿

这(zhei)(zhei)个主要(yao)是Drain加反(fan)偏(pian)电压后，使得(de)Drain/Bulk的PN结耗(hao)尽区(qu)(qu)延展(zhan)，当耗(hao)尽区(qu)(qu)碰到Source的时候，那(nei)(nei)源漏之间就不(bu)需要(yao)开启(qi)就形成(cheng)了通(tong)(tong)(tong)路，所以(yi)叫做穿通(tong)(tong)(tong)(punch through)。那(nei)(nei)如何防(fang)止穿通(tong)(tong)(tong)呢?这(zhei)(zhei)就要(yao)回(hui)到二极管反(fan)偏(pian)特性了，耗(hao)尽区(qu)(qu)宽(kuan)度(du)除了与(yu)(yu)电压有(you)关，还与(yu)(yu)两(liang)边(bian)的掺(chan)杂浓度(du)有(you)关，浓度(du)越高可(ke)以(yi)抑制(zhi)耗(hao)尽区(qu)(qu)宽(kuan)度(du)延展(zhan)，所以(yi)flow里面有(you)个防(fang)穿通(tong)(tong)(tong)注入(APT: Anti Punch Through)，记(ji)住它要(yao)打(da)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(ke)能还要(yao)看(kan)是否PolyCD或者Spacer宽(kuan)度(du)，或者LDD_IMP问(wen)题了，那(nei)(nei)如何排除呢?这(zhei)(zhei)就要(yao)看(kan)你是否NMOS和PMOS都跑了?POLY CD可(ke)以(yi)通(tong)(tong)(tong)过Poly相关的WAT来验证(zheng)。对吧?

对(dui)于穿(chuan)通击(ji)穿(chuan)，有以下(xia)一些特征(zheng)：

(1)穿(chuan)通击(ji)(ji)穿(chuan)的(de)击(ji)(ji)穿(chuan)点(dian)软，击(ji)(ji)穿(chuan)过程中，电流有逐步(bu)增大(da)的(de)特征，这是因为耗尽层(ceng)扩(kuo)展(zhan)较(jiao)宽，产生(sheng)电流较(jiao)大(da)。另(ling)一方面(mian)，耗尽层(ceng)展(zhan)宽大(da)容易发(fa)生(sheng)DIBL效应(ying)，使(shi)源衬底结正偏(pian)出现电流逐步(bu)增大(da)的(de)特征。

(2)穿通(tong)击穿的(de)软击穿点发生在源漏的(de)耗(hao)尽层(ceng)相接时，此时源端的(de)载(zai)流子注(zhu)入到耗(hao)尽层(ceng)中，

被耗尽层中(zhong)的(de)(de)电场(chang)加速达到漏端，因此，穿(chuan)(chuan)通(tong)击穿(chuan)(chuan)的(de)(de)电流(liu)也有(you)急剧增(zeng)大(da)(da)点，这个电流(liu)的(de)(de)急剧增(zeng)大(da)(da)和(he)雪崩(beng)(beng)击穿(chuan)(chuan)时(shi)(shi)(shi)电流(liu)急剧增(zeng)大(da)(da)不(bu)同，这时(shi)(shi)(shi)的(de)(de)电流(liu)相当于源衬底PN结正向(xiang)(xiang)导通(tong)时(shi)(shi)(shi)的(de)(de)电流(liu)，而雪崩(beng)(beng)击穿(chuan)(chuan)时(shi)(shi)(shi)的(de)(de)电流(liu)主要(yao)为PN结反向(xiang)(xiang)击穿(chuan)(chuan)时(shi)(shi)(shi)的(de)(de)雪崩(beng)(beng)电流(liu)，如不(bu)作限流(liu)，雪崩(beng)(beng)击穿(chuan)(chuan)的(de)(de)电流(liu)要(yao)大(da)(da)。

(3)穿(chuan)(chuan)通击(ji)穿(chuan)(chuan)一般不会出(chu)现破坏性(xing)击(ji)穿(chuan)(chuan)。因(yin)为(wei)穿(chuan)(chuan)通击(ji)穿(chuan)(chuan)场强(qiang)没有(you)达到(dao)雪(xue)崩击(ji)穿(chuan)(chuan)的场强(qiang)，不会产生大量电子空穴对。

(4)穿(chuan)通击穿(chuan)一(yi)般(ban)发生(sheng)在沟道(dao)体内，沟道(dao)表(biao)面不容易(yi)发生(sheng)穿(chuan)通，这主要是(shi)由于沟道(dao)注入(ru)使表(biao)面浓度比浓度大(da)造(zao)成，所以，对NMOS管一(yi)般(ban)都有防穿(chuan)通注入(ru)。

(5)一般的，鸟嘴边缘的浓度比沟道中(zhong)(zhong)间浓度大(da)，所(suo)以穿(chuan)通击(ji)穿(chuan)一般发生在沟道中(zhong)(zhong)间。

(6)多晶(jing)栅(zha)长(zhang)度对(dui)穿通击穿是(shi)有影(ying)响(xiang)的，随着栅(zha)长(zhang)度增加，击穿增大(da)。而对(dui)雪崩(beng)击穿，严(yan)格来说也有影(ying)响(xiang)，但是(shi)没有那么显著。

2) Drain->Bulk雪崩击穿

这就单纯是PN结(jie)雪(xue)崩击(ji)(ji)穿了(Avalanche Breakdown)，主要是漏极(ji)反(fan)偏电(dian)压下使得(de)PN结(jie)耗尽区展宽，则反(fan)偏电(dian)场加在了PN结(jie)反(fan)偏上面，使得(de)电(dian)子加速撞击(ji)(ji)晶格产(chan)生(sheng)新的(de)电(dian)子空穴对(dui)(Electron-Hole pair)，然后(hou)电(dian)子继续撞击(ji)(ji)，如此雪(xue)崩倍增下去导致击(ji)(ji)穿，所(suo)以这种击(ji)(ji)穿的(de)电(dian)流几乎(hu)快速增大(da)，I-V curve几乎(hu)垂直上去，很容烧毁(hui)的(de)。(这点和源漏穿通击(ji)(ji)穿不一样)

那如(ru)何改善这个junction BV呢?所以主要(yao)(yao)还是从PN结(jie)本身(shen)特(te)性讲(jiang)起，肯定(ding)要(yao)(yao)降(jiang)低(di)耗尽(jin)区电(dian)场，防止碰撞产生(sheng)电(dian)子空穴对(dui)，降(jiang)低(di)电(dian)压肯定(ding)不行，那就(jiu)(jiu)只能增加(jia)耗尽(jin)区宽度(du)了，所以要(yao)(yao)改变doping profile了，这就(jiu)(jiu)是为什么(me)突变结(jie)(Abrupt junction)的击穿电(dian)压比缓(huan)变结(jie)(Graded Junction)的低(di)。这就(jiu)(jiu)是学以致用，别(bie)人云(yun)亦云(yun)啊。

当然除了doping profile，还有(you)就是doping浓(nong)(nong)(nong)度(du)(du)，浓(nong)(nong)(nong)度(du)(du)越大，耗(hao)尽(jin)区宽度(du)(du)越窄，所以电场(chang)强度(du)(du)越强，那(nei)肯定就降低击穿(chuan)电压了。而(er)且还有(you)个(ge)规律是击穿(chuan)电压通常是由(you)低浓(nong)(nong)(nong)度(du)(du)的那(nei)边(bian)浓(nong)(nong)(nong)度(du)(du)影响更大，因为那(nei)边(bian)的耗(hao)尽(jin)区宽度(du)(du)大。公(gong)式是BV=K*(1/Na+1/Nb)，从(cong)公(gong)式里也可(ke)以看出Na和Nb浓(nong)(nong)(nong)度(du)(du)如(ru)果差10倍，几乎其中一个(ge)就可(ke)以忽略了。

那实(shi)际的(de)process如(ru)果发现BV变小，并且确认是从(cong)junction走的(de)，那好(hao)好(hao)查查你(ni)的(de)Source/Drain implant了

3) Drain->Gate击穿

这(zhei)个(ge)主要是(shi)(shi)Drain和Gate之间的(de)Overlap导(dao)致(zhi)的(de)栅极氧化层(ceng)击(ji)穿，这(zhei)个(ge)有(you)(you)点类似GOX击(ji)穿了(le)，当然(ran)它(ta)更像Poly finger的(de)GOX击(ji)穿了(le)，所以他可(ke)能更care poly profile以及sidewall damage了(le)。当然(ran)这(zhei)个(ge)Overlap还有(you)(you)个(ge)问题就(jiu)是(shi)(shi)GIDL，这(zhei)个(ge)也会(hui)贡献(xian)Leakage使得(de)BV降低。

上面讲的(de)就是MOSFET的(de)击穿的(de)三(san)个通道，通常BV的(de)case以前两种居多(duo)。

上面(mian)讲(jiang)的(de)都(dou)是(shi)Off-state下的(de)击(ji)(ji)穿，也就是(shi)Gate为0V的(de)时候，但是(shi)有的(de)时候Gate开启下Drain加(jia)电(dian)压过(guo)高也会导致击(ji)(ji)穿的(de)，我(wo)们(men)称(cheng)之为On-state击(ji)(ji)穿。这种情况尤其(qi)喜(xi)欢发生在Gate较低电(dian)压时，或者管(guan)子刚刚开启时，而且(qie)几乎都(dou)是(shi)NMOS。所(suo)以我(wo)们(men)通(tong)常WAT也会测(ce)试BVON，

不(bu)要以为很奇(qi)怪，但(dan)是(shi)测试condition一定(ding)要注意，Gate不(bu)是(shi)随便(bian)加电压的哦，必(bi)须是(shi)Vt附近(jin)的电压。(本文开始我(wo)贴的那张(zhang)图，Vg越(yue)低时(shi)on-state击穿越(yue)低)

有可能(neng)是Snap-back导致的，只(zhi)是测(ce)试机台limitation无法(fa)测(ce)试出(chu)标(biao)准(zhun)的snap-back曲(qu)线。另(ling)外也有可能(neng)是开启瞬(shun)间(jian)电流密度(du)太大(da)，导致大(da)量电子在PN结附近被(bei)耗尽(jin)区电场(chang)加(jia)速撞(zhuang)击。

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