MOS管應(yīng)用中，常見的各種‘擊穿’現(xiàn)象

mos管也稱場(chǎng)效應(yīng)管，這個(gè)器件有兩個(gè)電極，一個(gè)是金屬，另一個(gè)是extrinsic silicon(外在硅)，他們之間由一薄層二氧化硅分隔開。金屬極就是GATE，而半導(dǎo)體端就是backgate或者body。MOSFET是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管(利用電場(chǎng)控制電流)，由金屬氧化物半導(dǎo)體制成，是目前使用最廣泛的生產(chǎn)技術(shù)。在功率MOSFET領(lǐng)域，碳化硅(SiC)也被使用，因?yàn)樗请娫础⒛孀兤骱推渌麘?yīng)用所需的更高性能和效率的理想選擇。東芝多年來(lái)一直致力于MOSFET的開發(fā)和生產(chǎn)，我們廣泛的低中高耐壓設(shè)備產(chǎn)品線具有低損耗、高速度、低導(dǎo)通電阻和小封裝等特點(diǎn)—適合各種應(yīng)用的MOSFET。他們之間的絕緣氧化層稱為gate dielectric(柵介質(zhì))。器件有一個(gè)輕摻雜P型硅做成的backgate。這個(gè)MOS 電容的電特性能通過(guò)把backgate接地，gate接不同的電壓來(lái)說(shuō)明。MOS電容的GATE電位是0V。金屬GATE和半導(dǎo)體BACKGATE在WORK FUNCTION上的差異在電介質(zhì)上產(chǎn)生了一個(gè)小電場(chǎng)。在器件中，這個(gè)電場(chǎng)使金屬極帶輕微的正電位，P型硅負(fù)電位。這個(gè)電場(chǎng)把硅中底層的電子吸引到表面來(lái)，它同時(shí)把空穴排斥出表面。這個(gè)電場(chǎng)太弱了，所以載流子濃度的變化非常小，對(duì)器件整體的特性影響也非常小。

在MOS管的運(yùn)用中，我們常會(huì)遇到各種‘擊穿’現(xiàn)象，這些對(duì)器件的性能及壽命有著至關(guān)重要的影響。首先，熱擊穿是由于器件過(guò)熱導(dǎo)致的損壞，通常與散熱設(shè)計(jì)不當(dāng)或長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作有關(guān)。其次，雪崩擊穿發(fā)生在電壓超過(guò)器件承受極限時(shí)，電流急劇增加，導(dǎo)致器件瞬間失效。再者，齊納擊穿則是一種在特定電壓下，電流急劇增大而導(dǎo)致的擊穿現(xiàn)象，它通常與器件的摻雜濃度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。了解并掌握這些擊穿機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化MOS管的應(yīng)用、提升設(shè)備穩(wěn)定性及延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。因此，作為采購(gòu)經(jīng)理，選擇具有優(yōu)良擊穿特性的MOS管，是確保設(shè)備可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

當(dāng)MOS電容的GATE相對(duì)于BACKGATE正偏置時(shí)發(fā)生的情況。穿過(guò)GATE DIELECTRIC的電場(chǎng)加強(qiáng)了，有更多的電子從襯底被拉了上來(lái)。同時(shí)，空穴被排斥出表面。隨著GATE電壓的升高，會(huì)出現(xiàn)表面的電子比空穴多的情況。由于過(guò)剩的電子，硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉(zhuǎn)被稱為inversion，反轉(zhuǎn)的硅層叫做channel。隨著GATE電壓的持續(xù)不斷升高，越來(lái)越多的電子在表面積累，channel變成了強(qiáng)反轉(zhuǎn)。Channel形成時(shí)的電壓被稱為閾值電壓Vt。當(dāng)GATE和BACKGATE之間的電壓差小于閾值電壓時(shí)，不會(huì)形成channel。當(dāng)電壓差超過(guò)閾值電壓時(shí)，channel就出現(xiàn)了。mos管在電路中一般用作電子開關(guān)，在開關(guān)電源中常用MOS管的漏極開路電路，漏極原封不動(dòng)地接負(fù)載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負(fù)載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負(fù)載電流。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理。當(dāng)然MOS管做開關(guān)使用的電路形式比較多了。

Source、Drain、Gate分別對(duì)應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管的三極：源極S、漏極D、柵極G(里這不講柵極GOX擊穿，只針對(duì)漏極電壓擊穿)。

1、MOSFET的擊穿有哪幾種?

先講測(cè)試條件，都是源柵襯底都是接地，然后掃描漏極電壓，直至Drain端電流達(dá)到1uA。所以從器件結(jié)構(gòu)上看，它的漏電通道有三條：Drain到source、Drain到Bulk、Drain到Gate。

這個(gè)主要是Drain加反偏電壓后，使得Drain/Bulk的PN結(jié)耗盡區(qū)延展，當(dāng)耗盡區(qū)碰到Source的時(shí)候，那源漏之間就不需要開啟就形成了 通路，所以叫做穿通(punch through)。那如何防止穿通呢?這就要回到二極管反偏特性了，耗盡區(qū)寬度除了與電壓有關(guān)，還與兩邊的摻雜濃度有關(guān)，濃度越高可以抑制耗盡區(qū)寬度延展，所以flow里面有個(gè)防穿通注入(APT：AnTI Punch Through)，記住它要打和well同type的specis。當(dāng)然實(shí)際遇到WAT的BV跑了而且確定是從Source端走了，可能還要看是否 PolyCD或者Spacer寬度，或者LDD_IMP問(wèn)題了。那如何排除呢?這就要看你是否NMOS和PMOS都跑了?POLY CD可以通過(guò)Poly相關(guān)的WAT來(lái)驗(yàn)證。

MOS管被擊穿的幾種情況，1. 過(guò)電壓擊穿：當(dāng)MOS管的柵極電壓超過(guò)其額定值時(shí)，可能導(dǎo)致柵極與源極或漏極之間的絕緣層被擊穿。這種擊穿通常是由于電路設(shè)計(jì)不當(dāng)、電源電壓波動(dòng)或瞬態(tài)過(guò)電壓引起的。

2. 過(guò)電流擊穿：過(guò)大的電流流過(guò)MOS管時(shí)，會(huì)使其內(nèi)部的結(jié)溫迅速升高，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)材料的承受能力時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致?lián)舸＿^(guò)電流擊穿通常與負(fù)載短路、電路設(shè)計(jì)不當(dāng)或MOS管選型不合適有關(guān)。

3. 靜電擊穿：靜電放電(ESD)是MOS管在運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題。當(dāng)靜電積累到一定程度并突然放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高電壓和大電流，從而導(dǎo)致MOS管被擊穿。

MOS管擊穿后是短路還是斷路，MOS管被擊穿后的狀態(tài)取決于擊穿的具體情況。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)電壓或過(guò)電流導(dǎo)致的擊穿可能會(huì)使MOS管內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，從而形成低阻通路，使管子呈現(xiàn)短路狀態(tài)。而靜電擊穿可能導(dǎo)致柵極與源極或漏極之間的絕緣層被完全破壞，使管子失去控制能力，呈現(xiàn)斷路狀態(tài)。然而，實(shí)際情況可能更為復(fù)雜，因?yàn)閾舸┏潭群蛽p傷位置的不同會(huì)影響管子的最終狀態(tài)。

預(yù)防MOS管擊穿的方法及應(yīng)對(duì)措施，1. 預(yù)防方法：

(1)合理設(shè)計(jì)電路，確保MOS管工作在安全的電壓和電流范圍內(nèi)。

(2)選用具有合適耐壓和耐流能力的MOS管型號(hào)。

(3)在電路中加入過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和靜電保護(hù)等措施。

2. 應(yīng)對(duì)措施：

(1)一旦發(fā)現(xiàn)MOS管被擊穿，應(yīng)立即切斷電源，防止故障擴(kuò)大。

(2)檢查并更換損壞的MOS管及周圍可能受損的元器件。

(3)對(duì)電路進(jìn)行全面檢查，排除可能導(dǎo)致?lián)舸┑碾[患。

(4)在重新投入使用前，進(jìn)行充分的測(cè)試和驗(yàn)證，確保電路安全可靠。

在擊穿發(fā)生后，絕緣體失去了原本的絕緣性能，電流可以自由地通過(guò)。因此，雪崩擊穿是不可逆的，在絕緣體擊穿后，必須進(jìn)行維修或更換才能恢復(fù)其正常工作狀態(tài)。

為了更好地理解雪崩擊穿的機(jī)理，我們可以從絕緣材料的特性和擊穿機(jī)制來(lái)分析。絕緣材料通常具有較高的電阻和電導(dǎo)率很低的特點(diǎn)，這樣可以阻止電流在絕緣材料中的傳導(dǎo)。然而，在高壓電場(chǎng)下，電子會(huì)獲得足夠的能量以克服電阻，從而導(dǎo)致電子雪崩的發(fā)生。電子雪崩會(huì)產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，它們會(huì)相互碰撞并留下新的電子和空穴對(duì)。這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致電流在絕緣體中的傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致絕緣體擊穿。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止雪崩擊穿的發(fā)生，工程師通常采取一些預(yù)防措施。一種常見的方法是增加絕緣層的厚度，以增加擊穿電壓。此外，還可以選擇具有較高擊穿電壓的絕緣材料或者通過(guò)絕緣物體的表面涂層增加其絕緣性能。此外，電力系統(tǒng)中還會(huì)使用過(guò)電壓保護(hù)裝置來(lái)監(jiān)測(cè)并限制電壓的上升，以避免絕緣體的擊穿。

總結(jié)而言，雪崩擊穿是電力系統(tǒng)中重要的電氣現(xiàn)象，它會(huì)破壞絕緣體的絕緣性能并導(dǎo)致電流通過(guò)。與之相對(duì)應(yīng)的是齊納擊穿，它是絕緣體中電流突破發(fā)生的現(xiàn)象。盡管兩者相似，但它們?cè)趽舸C(jī)制和范圍上存在一些明顯的區(qū)別。雪崩擊穿是不可逆的，一旦發(fā)生必須進(jìn)行修復(fù)或更換，因此需要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來(lái)避免其發(fā)生。

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