如何準(zhǔn)確測(cè)試MOSFET的導(dǎo)通電阻-MOSFET導(dǎo)通電阻的作用與原理等解析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-08-23
電阻（Resistance，通常用“R”表示），是一個(gè)物理量，在物理學(xué)中表示導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。導(dǎo)體的電阻越大，表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大。不同的導(dǎo)體，電阻一般不同，電阻是導(dǎo)體本身的一種特性。電阻將會(huì)導(dǎo)致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。而超導(dǎo)體則沒(méi)有電阻。
（一）本質(zhì)
正常金屬有電阻，是因?yàn)檩d流子會(huì)受到散射而改變動(dòng)量。散射的中心就是聲子，缺陷，雜質(zhì)原子等。在超導(dǎo)情況下，組成庫(kù)伯對(duì)的電子不斷地相互散射，但這種散射不影響庫(kù)伯對(duì)質(zhì)心動(dòng)量，所以有電流通過(guò)超導(dǎo)體時(shí)庫(kù)伯對(duì)的定向移動(dòng)不受阻礙，沒(méi)有電阻。
（二）單位表示
導(dǎo)體的電阻通常用字母R表示，電阻的單位是歐姆（ohm），簡(jiǎn)稱歐，符號(hào)是Ω（希臘字母，讀作Omega)，1Ω=1V/A。比較大的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ）（兆=百萬(wàn)，即100萬(wàn)）。
KΩ（千歐）， MΩ（兆歐），他們的換算關(guān)系是：兩個(gè)電阻并聯(lián)式也可表示為：1TΩ=1000GΩ；1GΩ=1000MΩ；1MΩ=1000KΩ；1KΩ=1000Ω（也就是一千進(jìn)率）
電阻值的測(cè)量通常比較簡(jiǎn)單。但是，對(duì)于非常小阻值的測(cè)量，我們必須謹(jǐn)慎對(duì)待我們所做的假定。對(duì)于特定的幾何形狀，如電線，Kelvin方法是非常精確的?？梢允褂妙愃频姆椒▉?lái)測(cè)量均勻樣本的體電阻率和面電阻率，但是所使用的公式不同。在這些情況下，必須考慮探針間距和樣本厚度。僅僅運(yùn)用Kelvin法本身無(wú)法保證精度。如果布局和連接數(shù)發(fā)生變化，就很難精確地預(yù)測(cè)非均勻幾何形狀的電阻。
MOSFET最重要的特性之一就是漏極到源極的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）。在封裝完成之后測(cè)量RDS(on)很簡(jiǎn)單，但是以晶圓形式測(cè)量該值更具有其優(yōu)勢(shì)。
為了保證Kelvin阻值測(cè)量的精度，需要考慮幾項(xiàng)重要的因素：(1)待測(cè)器件（DUT）的幾何形狀；(2)到器件的接線；(3)材料的邊界；(4)各種材料（包括接線）的體電阻率。
一種測(cè)量RDS(on)的典型方法是在卡盤(pán)（Chuck）和接觸晶圓頂部的探針之間產(chǎn)生電流。另一種方法是在晶圓的背面使用探針來(lái)代替卡盤(pán)。這種方法可以精確到2.5mΩ。
一種較大的誤差來(lái)源于晶圓和卡盤(pán)之間的接觸（如圖1所示）。因?yàn)榭ūP(pán)上以及晶圓背面粗糙不平，所以只有在個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行電氣連接。晶圓和卡盤(pán)之間的接觸電阻的數(shù)值足以給RDS(on)的測(cè)量引入較大的誤差。僅僅重新放置卡盤(pán)上晶圓的位置就會(huì)改變接觸區(qū)域并影響RDS(on)的測(cè)量結(jié)果。
圖1 典型的測(cè)量結(jié)構(gòu)，橫截面視圖
另一種測(cè)量偏差來(lái)源是探針的布局。如果移動(dòng)了強(qiáng)制電流探針，電流的分布模式將發(fā)生變化。這會(huì)改變電壓梯度模式，而且會(huì)改變電壓檢測(cè)探針處的電壓。
需要的設(shè)備包括：(1)帶有6個(gè)可用探針的探針臺(tái)；(2)電壓計(jì)；(3)電流源。將晶圓和導(dǎo)電的卡盤(pán)隔離開(kāi)這一點(diǎn)非常重要。如果晶圓與卡盤(pán)存在接觸，那么這種接觸將造成電流以平行于基底的方式流動(dòng)，改變了測(cè)量結(jié)果?？梢杂靡粡埣垖⒕A和卡盤(pán)隔離開(kāi)。
到漏極的連接是通過(guò)在待測(cè)器件的另一側(cè)使用相鄰的完全相同的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。內(nèi)部晶圓結(jié)構(gòu)要比晶圓和卡盤(pán)之間的連接牢固得多。因此，相鄰晶粒方法要比傳統(tǒng)的RDS(on)測(cè)量方法精確得多。
圖2顯示了測(cè)量的結(jié)構(gòu)。3個(gè)MOSFET和6個(gè)探針均在圖中顯示出來(lái)，電接觸則示意性地畫(huà)出。中間的MOSFET是待測(cè)器件。
圖2 RDS(on)測(cè)量結(jié)構(gòu)
顯示的極性屬于N溝道MOSFET。漏極電流受限于探針的電流傳輸能力。左側(cè)的MOSFET的作用是在待測(cè)器件的漏極側(cè)施加電流。待測(cè)器件右側(cè)的MOSFET用于測(cè)量漏極電壓。
在MOSFET中，如果柵極開(kāi)啟，而且漏極到源極之間沒(méi)有電流，那么漏極和源極的電壓相等。這種方法就利用這個(gè)原理來(lái)測(cè)量探針D上的漏極電壓。
柵極偏壓被連接在探針C和E之間。如果連接在探針B和E之間，那么探針B和源極焊盤(pán)之間的電壓降會(huì)降低待測(cè)器件上的實(shí)際柵極電壓。因?yàn)樵赗DS(on)測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有電流通過(guò)，所以探針C上不存在電壓降。
相鄰晶粒方法確實(shí)需要右側(cè)的MOSFET（在探針D和F之間）處于工作狀態(tài)。如果這個(gè)晶粒上的柵極和源極被短路，那么測(cè)量結(jié)果可能不正確。
RDS(on)的取值是通過(guò)計(jì)算Vdc/IAB得到的，但是也可以得到更加精確的RDS(on)取值。
盡管相鄰晶粒法很精確，但是它并不能給出RDS(on)完全精確的測(cè)量值。為了得到僅由有源區(qū)貢獻(xiàn)的RDS(on)，可以將測(cè)量結(jié)果與仿真進(jìn)行對(duì)比。有限元分析（FEA）軟件可以用來(lái)為測(cè)量結(jié)構(gòu)建模。一旦建立了有源區(qū)電阻和RDS(on)測(cè)量值之間的關(guān)系，就可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定有源區(qū)的電阻。
仿真模型是3個(gè)MOSFET和晶圓的一部分的三維表示。在有限元模型中，有源區(qū)電阻是已知的。FEA軟件用來(lái)對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)建模并計(jì)算RDS(on)測(cè)量結(jié)果。仿真過(guò)程進(jìn)行兩次，使用兩個(gè)不同的有源區(qū)電阻值來(lái)計(jì)算結(jié)果。因?yàn)轫憫?yīng)的線性相當(dāng)好，所以電阻值是任意選取的。對(duì)每種晶粒的尺寸，這種仿真只需要進(jìn)行一次。利用仿真測(cè)量結(jié)果和實(shí)際有源區(qū)的電阻之間的關(guān)系，可以得到一個(gè)公式，用來(lái)根據(jù)相鄰晶粒方法的測(cè)量值計(jì)算有源區(qū)電阻。
有幾項(xiàng)因素會(huì)給測(cè)量引入誤差。最重要的因素是探針的位置以及基底的電阻率。
從仿真結(jié)果可以看出，有些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常小。基底的厚度通常是200μm。厚度從175μm變化到225μm只會(huì)給RDS(on)帶來(lái)1%的誤差（仿真的測(cè)量結(jié)果）。同樣，背墊金屬表面電阻的變化對(duì)結(jié)果的影響也不會(huì)超過(guò)1%。仿真得到的一項(xiàng)驚人的結(jié)果表明，頂部金屬厚度和電阻率對(duì)結(jié)果的影響也可以忽略不計(jì)。
基底電阻率的變化會(huì)給RDS(on)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)線性響應(yīng)。圖3顯示了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)際基底正常分布的基底電阻率。這樣做是為了顯示響應(yīng)是線性的。
圖3 由于基底電阻率造成的仿真結(jié)果的誤差
探針在待測(cè)器件上的擺放位置必須保持一致。探針位置的變化會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的變化。待測(cè)器件左側(cè)和右側(cè)器件上探針的位置（見(jiàn)圖2中的A和D）也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，但是影響沒(méi)有前者大。造成這種測(cè)量誤差的原因在于頂部金屬的表面電阻大于0。
將探針B或C從源極焊盤(pán)中心向邊緣移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。圖4顯示了移動(dòng)探針B或C所產(chǎn)生的誤差。每條線表示RDS(on) 2%的誤差。在繪制這張圖時(shí)，使用了5μm×5μm的網(wǎng)格。每次只移動(dòng)一個(gè)探針的位置。
圖4 探針位置所引起的誤差
相鄰晶粒方法是一種成本低廉、精確地以晶圓形式測(cè)量MOSFET有源區(qū)的RDS(on)的方法。它在檢測(cè)不同批次晶圓的差別方面非常有用。
mos管導(dǎo)通電阻，一般在使用MOS時(shí)都會(huì)遇到柵極的電阻選擇和使用問(wèn)題，但有時(shí)對(duì)這個(gè)電阻很迷茫，現(xiàn)介紹一下它的作用：
1.是分壓作用
2.下拉電阻是盡快泄放柵極電荷將MOS管盡快截止
3.防止柵極出現(xiàn)浪涌過(guò)壓（柵極上并聯(lián)的穩(wěn)壓管也是防止過(guò)壓產(chǎn)生）
4.全橋柵極電阻也是同樣機(jī)理，盡快泄放柵極電荷，將MOS管盡快截止。避免柵極懸空，懸空的柵極MOS管將會(huì)導(dǎo)通，導(dǎo)致全橋短路
5.驅(qū)動(dòng)管和柵極之間的電阻起到隔離、防止寄生振蕩的作用
1.不同耐壓的MOS管的導(dǎo)通電阻分布。不同耐壓的MOS管，其導(dǎo)通電阻中各部分電阻比例分布也不同。如耐壓30V的MOS管，其外延層電阻僅為總導(dǎo)通電阻的29%，耐壓600V的MOS管的外延層電阻則是總導(dǎo)通電阻的96.5%。
由此可以推斷耐壓800V的MOS管的導(dǎo)通電阻將幾乎被外延層電阻占據(jù)。欲獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并增厚。這就是常規(guī)高壓MOS管結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的高導(dǎo)通電阻的根本原因。
2.降低高壓MOS管導(dǎo)通電阻的思路。增加管芯面積雖能降低導(dǎo)通電阻，但成本的提高所付出的代價(jià)是商業(yè)品所不允許的。引入少數(shù)載流以上兩種辦法不能降低高壓MOS管的導(dǎo)通電阻，所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區(qū)域和導(dǎo)電通道的高摻雜、低電阻率分開(kāi)解決。如除導(dǎo)通時(shí)低摻雜的高耐壓外延層對(duì)導(dǎo)通電阻只能起增大作用外并無(wú)其他用途。
這樣，是否可以將導(dǎo)電通道以高摻雜較低電阻率實(shí)現(xiàn)，而在MOS管關(guān)斷時(shí)，設(shè)法使這個(gè)通道以某種方式夾斷，使整個(gè)器件耐壓僅取決于低摻雜的N-外延層?；谶@種思想，1988年INFINEON推出內(nèi)建橫向電場(chǎng)耐壓為600V的COOLMOS管，使這一想法得以實(shí)現(xiàn)。內(nèi)建橫向電場(chǎng)的高壓MOS管的剖面結(jié)構(gòu)及高阻斷電壓低導(dǎo)通電阻的示意圖如圖所示。
與常規(guī)MOS管結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)建橫向電場(chǎng)的MOS管嵌入垂直P(pán)區(qū)將垂直導(dǎo)電區(qū)域的N區(qū)夾在中間，使MOS管關(guān)斷時(shí)，垂直的P與N之間建立橫向電場(chǎng)，并且垂直導(dǎo)電區(qū)域的N摻雜濃度高于其外延區(qū)N-的摻雜濃度。
當(dāng)VGS＜VTH時(shí)，由于被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的N型導(dǎo)電溝道不能形成，并且D，S間加正電壓，使MOS管內(nèi)部PN結(jié)反偏形成耗盡層，并將垂直導(dǎo)電的N區(qū)耗盡。這個(gè)耗盡層具有縱向高阻斷電壓，如圖（b）所示，這時(shí)器件的耐壓取決于P與N-的耐壓。因此N-的低摻雜、高電阻率是必需的。
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