如何處理MOS管小電流發熱嚴重情況？

01

MOSFET的擊穿有哪幾種？

Source、Drain、Gate ——?場效應管的三極：源級S、漏級D、柵級G。（這里不講柵極GOX擊穿了啊，只針對漏極電壓擊穿） ? 先講測試條件，都是源柵襯底都是接地，然后掃描漏極電壓，直至Drain端電流達到1uA。所以從器件結構上看，它的漏電通道有三條：Drain到source、Drain到Bulk、Drain到Gate。 ?

?Drain→Source穿通擊穿：

這個主要是Drain加反偏電壓后，使得Drain/Bulk的PN結耗盡區延展，當耗盡區碰到Source的時候，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，耗盡區寬度除了與電壓有關，還與兩邊的摻雜濃度有關，濃度越高可以抑制耗盡區寬度延展，所以flow里面有個防穿通注入（APT：AnTI Punch Through），記住它要打和well同type的specis。 ? 當然實際遇到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Poly相關的WAT來驗證。對吧？ ? 對于穿通擊穿，有以下一些特征：

穿通擊穿的擊穿點軟，擊穿過程中，電流有逐步增大的特征，這是因為耗盡層擴展較寬，產生電流較大。另一方面，耗盡層展寬大容易發生DIBL效應，使源襯底結正偏出現電流逐步增大的特征。

穿通擊穿的軟擊穿點發生在源漏的耗盡層相接時，此時源端的載流子注入到耗盡層中，被耗盡層中的電場加速達到漏端，因此，穿通擊穿的電流也有急劇增大點，這個電流的急劇增大和雪崩擊穿時電流急劇增大不同，這時的電流相當于源襯底PN結正向導通時的電流，而雪崩擊穿時的電流主要為PN結反向擊穿時的雪崩電流，如不作限流，雪崩擊穿的電流要大。

穿通擊穿一般不會出現破壞性擊穿。因為穿通擊穿場強沒有達到雪崩擊穿的場強，不會產生大量電子空穴對。

穿通擊穿一般發生在溝道體內，溝道表面不容易發生穿通，這主要是由于溝道注入使表面濃度比濃度大造成，所以，對NMOS管一般都有防穿通注入。

一般的，鳥嘴邊緣的濃度比溝道中間濃度大，所以穿通擊穿一般發生在溝道中間。

多晶柵長度對穿通擊穿是有影響的，隨著柵長度增加，擊穿增大。而對雪崩擊穿，嚴格來說也有影響，但是沒有那么顯著。

Drain→Bulk雪崩擊穿：

這就單純是PN結雪崩擊穿了（Avalanche Breakdown），主要是漏極反偏電壓下使得PN結耗盡區展寬，則反偏電場加在了PN結反偏上面，使得電子加速撞擊晶格產生新的電子空穴對 （Electron-Hole pair），然后電子繼續撞擊，如此雪崩倍增下去導致擊穿，所以這種擊穿的電流幾乎快速增大，I-V curve幾乎垂直上去，很容燒毀的。（這點和源漏穿通擊穿不一樣） ? 那如何改善這個junction BV呢？所以主要還是從PN結本身特性講起，肯定要降低耗盡區電場，防止碰撞產生電子空穴對，降低電壓肯定不行，那就只能增加耗盡區寬度了，所以要改變 doping profile了，這就是為什么突變結（Abrupt junction）的擊穿電壓比緩變結（Graded junction）的低。這就是學以致用，別人云亦云啊。 ? 當然除了doping profile，還有就是doping濃度，濃度越大，耗盡區寬度越窄，所以電場強度越強，那肯定就降低擊穿電壓了。而且還有個規律是擊穿電壓通常是由低 濃度的那邊濃度影響更大，因為那邊的耗盡區寬度大。公式是BV=K*（1/Na+1/Nb），從公式里也可以看出Na和Nb濃度如果差10倍，幾乎其中一 個就可以忽略了。 ? 那實際的process如果發現BV變小，并且確認是從junction走的，那好好查查你的Source/Drain implant了。 ?

Drain→Gate擊穿：

這個主要是Drain和Gate之間的Overlap導致的柵極氧化層擊穿，這個有點類似GOX擊穿了，當然它更像Poly finger的GOX擊穿了，所以他可能更care poly profile以及sidewall damage了。當然這個Overlap還有個問題就是GIDL，這個也會貢獻Leakage使得BV降低。 ? 上面講的就是MOSFET的擊穿的三個通道，通常BV的case以前兩種居多。Off-state下的擊穿，也就是Gate為0V的時候，但是有的時候Gate開啟下Drain加電壓過高也會導致擊穿的，我們稱之為On-state擊穿。這種情況尤其喜歡發生在Gate較低電壓時，或者管子剛剛開啟時，而且幾乎都是NMOS。所以我們通常WAT也會測試BVON。

02

如何處理MOS管小電流發熱嚴重情況？

MOS管，做電源設計，或者做驅動方面的電路，難免要用到MOS管。MOS管有很多種類，也有很多作用。做電源或者驅動的使用，當然就是用它的開關作用。 ? 無論N型或者P型MOS管，其工作原理本質是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會發生像三極管做開關時的因基極電流引起的電荷存儲效應，因此在開關應用中，MOS管的開關速度應該比三極管快。 ? 我們經?？碝OS管的PDF參數，MOS管制造商采用RDS（ON）參數來定義導通阻抗，對開關應用來說，RDS（ON）也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS（ON）與柵極（或驅動）電壓VGS以及流經開關的電流有關，但對于充分的柵極驅動，RDS（ON）是一個相對靜態參數。一直處于導通的MOS管很容易發熱。 ? 另外，慢慢升高的結溫也會導致RDS（ON）的增加。MOS管數據手冊規定了熱阻抗參數，其定義為MOS管封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結到管殼的熱阻抗。

03

MOS管小電流發熱的原因

電路設計的問題，就是讓MOS管工作在線性的工作狀態，而不是在開關狀態。這也是導致MOS管發熱的一個原因。如果N-MOS做開關，G級電壓要比電源高幾V，才能完全導通，P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著發熱。這是設計電路的最忌諱的錯誤。

頻率太高，主要是有時過分追求體積，導致頻率提高，MOS管上的損耗增大了，所以發熱也加大了。

沒有做好足夠的散熱設計，電流太高，MOS管標稱的電流值，一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流，也可能發熱嚴重，需要足夠的輔助散熱片。

MOS管的選型有誤，對功率判斷有誤，MOS管內阻沒有充分考慮，導致開關阻抗增大。

04

MOS管小電流發熱嚴重怎么解決

做好MOS管的散熱設計，添加足夠多的輔助散熱片。

貼散熱膠。

05

MOS管為什么可以防止電源反接？

電源反接，會給電路造成損壞，不過，電源反接是不可避免的。所以，我們就需要給電路中加入保護電路，達到即使接反電源，也不會損壞的目的。 ? 一般可以使用在電源的正極串入一個二極管解決，不過，由于二極管有壓降，會給電路造成不必要的損耗，尤其是電池供電場合，本來電池電壓就3.7V，你就用二極管降了0.6V，使得電池使用時間大減。 ? MOS管防反接，好處就是壓降小，小到幾乎可以忽略不計?，F在的MOS管可以做到幾個毫歐的內阻，假設是6.5毫歐，通過的電流為1A（這個電流已經很大了），在他上面的壓降只有6.5毫伏。由于MOS管越來越便宜，所以人們逐漸開始使用MOS管防電源反接了。 ? NMOS管防止電源反接電路：

? 正確連接時：剛上電，MOS管的寄生二極管導通，所以S的電位大概就是0.6V，而G極的電位，是VBAT，VBAT-0.6V大于UGS的閥值開啟電壓，MOS管的DS就會導通，由于內阻很小，所以就把寄生二極管短路了，壓降幾乎為0。 ? 電源接反時：UGS=0，MOS管不會導通，和負載的回路就是斷的，從而保證電路安全。 ? PMOS管防止電源反接電路：

? 正確連接時：剛上電，MOS管的寄生二極管導通，電源與負載形成回路，所以S極電位就是VBAT-0.6V，而G極電位是0V，PMOS管導通，從D流向S的電流把二極管短路。 ? 電源接反時：G極是高電平，PMOS管不導通。保護電路安全。 ? 連接技巧：NMOS管DS串到負極，PMOS管DS串到正極，讓寄生二極管方向朝向正確連接的電流方向。 ? 感覺DS流向是“反”的？仔細的朋友會發現，防反接電路中，DS的電流流向，和我們平時使用的電流方向是反的。 ? 為什么要接成反的？利用寄生二極管的導通作用，在剛上電時，使得UGS滿足閥值要求。 ? 為什么可以接成反的？如果是三極管，NPN的電流方向只能是C到E，PNP的電流方向只能是E到C。不過，MOS管的D和S是可以互換的。這也是三極管和MOS管的區別之一。

06

MOS管功率損耗測量

MOSFET/IGBT的開關損耗測試是電源調試中非常關鍵的環節，但很多工程師對開關損耗的測量還停留在人工計算的感性認知上，PFC MOSFET的開關損耗更是只能依據口口相傳的經驗反復摸索，那么該如何量化評估呢? ?

功率損耗的原理圖和實測圖

一般來說，開關管工作的功率損耗原理圖下圖所示，主要的能量損耗體現在“導通過程”和“關閉過程”，小部分能量體現在“導通狀態”，而關閉狀態的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計。 ?

實際的測量波形圖一般下圖所示。 ?

MOSFET和PFC MOSFET的測試區別

對于普通MOS管來說，不同周期的電壓和電流波形幾乎完全相同，因此整體功率損耗只需要任意測量一個周期即可。但對于PFC MOS管來說，不同周期的電壓和電流波形都不相同，因此功率損耗的準確評估依賴較長時間（一般大于10ms），較高采樣率（推薦1G采樣率）的波形捕獲，此時需要的存儲深度推薦在10M以上，并且要求所有原始數據（不能抽樣）都要參與功率損耗計算，實測截圖下圖所示。 ?

審核編輯：黃飛

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