功率MOSFET損壞
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-08-25
功率MOSFET損壞的實例教程
本文結合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態(tài)，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下損壞的模式，并說明了產(chǎn)生這樣的損壞形態(tài)的原因，也分析了功率MOSFET管在關斷及開通過程中，發(fā)生失效形態(tài)的差別，從而為失效是在關斷還是在開通過程中發(fā)生損壞提供了判斷依據(jù)。給出了測試過電流和過電壓的電路圖。同時，也分析了功率MOSFET管在動態(tài)老化測試中慢速開通及在電池保護電路應用中慢速關斷時，較長時間工作在線性區(qū)時，損壞的形態(tài)。最后，結合實際的應用，論述了功率MOSFET通常會產(chǎn)生過電流和過電壓二種混合損壞方式損壞機理和過程。
目前，功率MOSFET管廣泛地應用于開關電源系統(tǒng)及其它的一些功率電子電路中，然而，在實際的應用中，通常，在一些極端的邊界條件下，如系統(tǒng)的輸出短路及過載測試，輸入過電壓測試以及動態(tài)的老化測試中，功率MOSFET有時候會發(fā)生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET送到半導體原廠做失效分析后，得到的失效分析報告的結論通常是過電性應力EOS，無法判斷是什么原因導致MOSFET的損壞。
本文將通過功率MOSFET管的工作特性，結合失效分析圖片中不同的損壞形態(tài)，系統(tǒng)的分析過電流損壞和過電壓損壞，同時，根據(jù)損壞位置不同，分析功率MOSFET管的失效是發(fā)生在開通的過程中，還是發(fā)生在關斷的過程中，從而為設計工程師提供一些依據(jù)，來找到系統(tǒng)設計的一些問題，提高電子系統(tǒng)的可靠性。
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ESD對功率MOSFET的危害
故障模式
功率MOSFET最大的運行優(yōu)勢之一是：當達到ESD超高輸入電阻時（典型值> 4 x 109 ohms)，它會關閉。功率MOSFET的柵極可以視為一個低電壓（HEXFET器件電壓為+ 20V）低泄露的電容。如圖1所示，電容器極板主要由硅柵極和源極金屬化形成。電容器介質(zhì)是氧化硅柵極絕緣。
圖 1. HEXFET 基本結構
當柵源電壓高到跨過柵介質(zhì)時，MOSFET發(fā)生ESD損壞。此時柵氧化層上的微孔被燒壞，器件永久性損壞。如同任何電容，必須給功率MOSFET的柵極充電以便達到特定的電壓。更大的器件有更大的電容，電壓每上升一伏也需要更多的電荷，因此比較小的MOSFET更不容易遭受ESD損壞。同樣，靜電放電一般不會產(chǎn)生突發(fā)性失效，除非柵源電壓超出額定最大值的2到3倍。
圖2a是典型的ESD損傷場景。這個場景是將人體模型（HBM)充電到700V，然后再放電到器件的柵極所產(chǎn)生的損傷。在將裸片表層從多晶硅剝離后，用掃描電子顯微鏡放大5000倍拍攝了該照片。圖2b顯示在剝離之前，裸片表面無任何可視性損傷。圖2a的實際損傷直徑僅為8微米。ESD損傷表現(xiàn)出的電氣癥狀是柵極和源極之間的低電阻或齊納效應，施加的電壓小于±20伏。
造成ESD損傷所需的電壓至少為1000 V（具體大小取決于芯片尺寸）。這是由于承載電荷的體二極管的電容大大低于MOSFET的Ciss，因此當電荷轉移時，所產(chǎn)生的電壓就會遠低于原始電壓。
靜電場也會損壞功率MOSFET。雖然故障模式是ESD，但MOSFET的損壞是因為將FET的未保護柵極放置在電暈放電路徑中引起的。
展開 減小開關損耗的方法，一是優(yōu)化應用電路進一步提高開關速度，二是采用軟開關，兩者都是提高了設計難度，同時也增加了電路的復雜度
總結上面的SiC MOSFETＴ高性能帶來的問題，答案可能會集中在緊湊的布局設計和良好的導熱設計上，而這兩點在SiC MOSFET分立器件中都無法很好的解決，只有模塊應用才能得到比較好的綜合性能。
此外，目前關于SiC MOSFET的一個熱門應用研究是基于電動汽車電機驅動的應用，電機驅動的輸出功率較大，即使小型電動汽車也有幾十千瓦的功率等，所以單個SiC MOSFET是無法達到這樣的功率容量要求的，只有多芯片并聯(lián)的方式才能夠滿足功率需求。
SiC MOSFET目前依然價格偏高，盡管在大功率應用中可以通過冷卻系統(tǒng)的成本降低來減少系統(tǒng)總成本，但在中低功率系統(tǒng)中很難從其他方面（比如散熱系統(tǒng)簡化、無源器件減小、運行損耗降低等等）來平衡SiC MOSFET芯片的成本增加，因此從降低系統(tǒng)成本角度出發(fā)，對于特定功率容量的模塊，芯片數(shù)量的優(yōu)化是一個需要考慮的方面。
功率模塊是SiC MOSFET的最重要封裝形式，不僅可以較容易實現(xiàn)功率擴容，還便于開關過程中高頻回路的優(yōu)化設計，同時便于提高整機的功率密度，更好的發(fā)揮出SiC MOSFET的性能優(yōu)勢。除此之外，功率模塊的散熱能力相對于分立器件要高很多，因此非常有利于在電動汽車中電機驅動方面的應用。
電動汽車的電機驅動的電路結構一般有兩種。
展開 眾所周知，由于采用了絕緣柵，功率MOSFET器件只需很小的驅動功率，且開關速度優(yōu)異。可以說具有“理想開關”的特性。其主要缺點是開態(tài)電阻(RDS(on))和正溫度系數(shù)較高。本教程闡述了高壓N型溝道功率MOSFET的特性，并為器件選擇提供指導。最后，解釋了Microsemi公司Advanced Power Technology (ATP) MOSFET的數(shù)據(jù)表。
功率MOSFET結構
圖1為APT N型溝道功率MOSFET剖面圖(本文只討論N型溝道MOSFET)。在柵極和源極間加正壓，將從襯底抽取電子到柵極。如果柵源電壓等于或者高于閾值電壓，柵極下溝道區(qū)域將積累足夠多的電子從而產(chǎn)生N型反型層；在襯底形成導電溝道(MOSFET被增強)。電子在溝道內(nèi)沿任意方向流動。電子從源極流向漏極時，產(chǎn)生正向漏極電流。溝道關斷時，正向漏極電流被阻斷，襯底與漏極之間的反偏PN結維持漏源之間的電勢差。對于N型MOSFET，正向導通時，只有電子流，沒有少子。開關速度僅受限于MOSFET內(nèi)寄生電容的充電和放電速率。因此，開關速率可以很快，開關損耗很低。開關頻率很高時，這讓功率MOSFET具有很高的效率。
圖1：N型溝道MOSFET剖面圖。
開態(tài)電阻
開態(tài)電阻RDS(on)主要受溝道、JFET(積累層)、漂移區(qū)和寄生效應(多層金屬，鍵和線和封裝)等因素的影響電壓超過150V時，RDS(on)主要取決于漂移區(qū)電阻。
圖2：RDS(on)與電流的關系。
高壓MOSFET中RDS(on) 與電流的相關較弱。
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功率MOSFET損壞的最新內(nèi)容
靜電場也會損壞功率MOSFET。雖然故障模式是ESD，但MOSFET的損壞是因為將FET的未保護柵極放置在電暈放電路徑中引起的。電暈放電由帶正或負電荷的表面向空氣中的小離子分子放電而(CO2+, H+, O2-, Oh-)引起。
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ESD是問題嗎？
如前所述，在處理少量MOSFET時，ESD可能不是一個問題。
眾所周知，由于采用了絕緣柵，功率MOSFET器件只需很小的驅動功率，且開關速度優(yōu)異。可以說具有“理想開關”的特性。其主要缺點是開態(tài)電阻(RDS(on))和正溫度系數(shù)較高。本教程闡述了高壓N型溝道功率MOSFET的特性，并為器件選擇提供指導。最后，解釋了Microsemi公司Advanced
碳化硅MOSFET
碳化硅MOSFET具有正向導通電阻低、開關速度快、驅動電路筒單等優(yōu)點。碳化硅MOSFET的漂移區(qū)相對較薄，它的正向導通電阻低，導通損耗也小。由于正向電阻小,所以相較于傳統(tǒng)硅IGBT，在相同的耐壓和導流能力條件下碳化硅MOSFET
工程師將損壞的功率MOSFET送到半導體原廠做失效分析后，得到的失效分析報告的結論通常是過電性應力EOS，無法判斷是什么原因導致MOSFET的損壞。
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