mosfet 失效模式.doc

问：MOSFET、IGBT、BJT各自适合于哪些应用？答：MOSFET是当今最主流的开关器件，价格较高，开关速度极快(从数十K到数M都可应用），从5W到数十万W的各类拓扑电源都有应用。相比于IGBT和BJT耐冲击性好，故障率低。由于电导率负温度系数，MOSFET可扩展性很好。大功率应用时，如成本不敏感，如军用、工业、高端消费产品，MOSFET是最优选择。低压大电流领域是MOSFET的强项。IGBT是和功率MOSFET同步发展起来的一类开关器件，IGBT的优点在于做大功率时成本低，堪称“穷人的法拉利”，耐压比MOSFET容易做高。相比于BJT，更少被二次击穿而失效。常用于高压（600V)应用领域。以及低端大功率（2000W)设备，如电磁炉、逆变器等。BJT是最老的开关器件，目前由于国内仍有一批尚未淘汰的BJT生产线没有停产，仍然活跃于低端市场。低压BJT开关频率可以较高，但由于饱和CE压降高达0.4V以上而远逊于MOSFET，只被用在最低端领域。高压BJT驱动麻烦，需使用低压大电流的电流源驱动，一般使用变压器驱动。在驱动不当或电压应力过大时容易发生二次击穿而失效。适合中功率(501000W)，对成本极度敏感的市场。BJT有两种驱动方式，一种是基极开关，一种是射极开关。射极开关的效率和开关速度都优于基极开关，是BJT应用的潮流。问：MOSFET、IGBT、BJT的稳定性受哪些因素控制？常见的失效模式有哪些？答：MOSFET是稳定性最好的器件，不容易损坏。MOSFET常见的失效模式有：栅极击穿。即栅极和源极之间的绝缘层破坏。此时的MOSFET（此处均指增强型MOSFET）无法开启。封装破裂。这是由瞬间高热引起的。在瞬间产热过大，散热不良的情形下，树脂封装材料部分分解气化并膨胀，把封装撑裂。漏源极之间击穿。这是MOSFET最严重的一种失效模式，通常不易发生。发生后会导致短路而非断路。会导致强电源灌进弱电部分，如输入电压直接进入控制芯片而烧毁很多控制电路。通常是持续温度太高引起的（管芯温度大面积超过200度持续工作时才可能发生)IGBT稳定性比MOSFET稍差，但仍强过BJT。除了MOSFET的失效模式外，还有二次击穿的失效模式。当IGBT持续超过安全工作区工作时，会出现还未大面积发热就出现CE极击穿的现象，这种击穿称为二次击穿。IGBT出现二次击穿的可能性比BJT小很多，但仍有可能出现。BJT常见的失效模式有：二次击穿：最常见的失效模式，表现为芯片并未大面积发热，但CE之间持续低阻。此时BJT已经损坏。如果是用在电源上没有保护，则会进一步发展为整管熔毁。CB间绝缘破坏：比较少见，通常发生在整管熔毁时，或CB间承受的电压高于VCBO时击穿。热击穿：在高温下管子热失效。通常不易发生，因二次击穿发生更加容易，先发生二次击穿。问：MOSFET、IGBT、BJT三种开关器件的开关损耗主要产生在哪里？如何估计损耗？答：开关器件的开关损耗根据成因主要分为两种：电流-电压交叉损耗和输出电容损耗。MOSFET开关极快，而且是多子导电器件，没有拖尾电流，损耗主要是开通时的输出电容放电损耗。计算公式为: Ploss = f * 0.5 * Coss * V2 , V是MOSFET开通前一瞬间承受的电压。IGBT开关速度较快，没有存储时间，但存在拖尾电流。拖尾电流，就是在VCE已经升高的情况下，CE之间仍然有一股小电流流通一段时间，拖尾电流导致的电流-电压交叉损耗构成了IGBT的主要损耗。BJT开关速度慢，而且是少子器件，存在存储时间。存储时间就是基极电流已经切断甚至反向，而集极和射极仍然保持完全导通的时间。在存储时间后进入下降时间。下降时间是电压、电流交叉的时间，交叉损耗发生在下降时间。低压BJT由于值高，下降时间比较短，存储时间也可以通过肖特基箝位电路大幅减小，因此主要损耗在于导通损耗，开关损耗不太大。高压BJT的存储时间不容易通过箝位控制，下降时间也较长，主要损耗包括电流-电压交叉损耗。但必须注意，采用射极开关的BJT没有存储时间，下降时间也很短，开关损耗可以达到MOSFET的水准。问：MOSFET、IGBT、BJT三种开关器件如何实现软开关？答：从损耗分析上来看，MOSFET的主要损耗是输出电容放电损耗，因此需要实现零电压开通，即开通前一瞬间DS电压为0. 电路形式有LLC半桥以及准方波谐振的变换器，如移相全桥ZVS，准谐振反激。IGBT的主要损耗来自拖尾电流，因此需要实现零电流关断，消除拖尾电流，即关断前一瞬间CE电流为0. 电路形式有ZCS半桥、ZCS全桥。BJT的主要损耗和IGBT相仿，主要在关断时有电流-电压交叉损耗，因此也应实行零电流关断。采用射极开关的BJT，硬开关对损耗的升高作用不明显，因此最适合单端，硬开关的变换器，如单端正激，单端反激。 影响MOS器件及其集成电路可靠性的因素很多，有设计方面的，如材料、器件和工艺等的选取；有工艺方面的，如物理、化学等工艺的不稳定性；也有使用方面的，如电、热、机械等的应力和水汽等的侵入等。从器件和工艺方面来考虑，影响MOS集成电路可靠性的主要因素有三个：一是栅极氧化层性能退化；二是热电子效应；三是电极布线的退化。MOSFET的栅极二氧化硅薄膜是决定器件性能的关键性材料。因为二氧化硅薄膜具有良好的绝缘性，同时它与Si表面接触的表面态密度又很低，所以最常用作为栅绝缘层。栅氧化层一般是采用热氧化来制备的，良好氧化层的漏电流基本上为0，并且具有较高的击穿电场强度（击穿电场强度约为10MV/cm）。但是，实际上发现，在器件和电路工作时，有时会发生由于栅氧化层的漏电、并导致击穿而引起的失效；产生这种后果的根本原因就是氧化层在电压作用下性能发生了退化。（1）栅氧化层性能退化的表现击穿：在栅极电压作用下，栅氧化层发生性能退化的主要表现就是击穿。这里存在两种类型的击穿：一是瞬时击穿（TZDB，Tims Zero Dielectic Breakdown），即是加上电压后就马上发生的击穿短路；二是经时击穿（TDDB，Tims Dependent Dielectic Breakdown），即是加上电压后需要经过一段时间之后才发生的击穿。MOSFET和MOS-IC的早期失效往往就包括有栅氧化层的TZDB现象。TDDB的产生与栅氧化层中的电场（栅电压）有关。实验表明，按照引起击穿电场的大小，可以把TDDB区分为三种不同的模式：模式A在较低电场（1MV/cm）时就产生的击穿；模式B在较高电场（数MV/cm）时产生的击穿；模式C在很高电场（8MV/cm）时才可能产生的击穿。TDDB的模式A往往是由于氧化层中存在针孔等缺陷的缘故，具有这种模式的早期击穿的芯片，一般都可通过出厂前的筛选而淘汰掉，故模式A击穿将直接影响到芯片的成品率。由于氧化层中的针孔等缺陷主要是来自于材料和环境的污染、微粒之类的杂质，所以提高材料和工艺的纯净度对于降低出现模式A的几率、增高成品率具有重要的意义。TDDB的模式B往往是由于氧化层中存在微量的Na、K等碱金属和Fe、Ni等重金属杂质的缘故，这些杂质离子在较高电场作用下会发生移动，并且起着陷阱能级的作用。因此，为了提高模式B的击穿，也必须严格保证材料和工艺的纯净度，此外还必须注意晶体表面缺陷吸附重金属杂质所产生的不良影响（则需要关注衬底的结晶控制技术）。TDDB的模式C击穿电压很高，接近二氧化硅的固有击穿特性，这是由于氧化层中不存在杂质和缺陷的缘故。（2）MOSFET栅氧化层退化的寿命评估：对于带有经时击穿模式B的不良芯片，需要经过较长时间的试验才能检测出来，因此必须事先确立器件寿命的检测和评估方法。为了保证集成电路能够正常工作若干年（一般要求10年以上），就需要在出厂前预测出器件的寿命寿命评估；这可以通过TDDB试验预测出栅氧化层的寿命来确定器件的寿命。具体的办法就是采用所谓加速寿命试验，即把许多器件置于强电场（高于7MV/cm）、温度为100 oC左右的条件下，观测器件的经时失效率；一般，栅氧化层的TDDB呈现出两个区域：较快击穿的早期失效区和需要经过很长时间才击穿的磨损失效区（二氧化硅的固有击穿区）。为了不让器件在出厂后就产生问题，则必须尽量控制器件的早期失效。对于较厚栅氧化层的器件，发现早期击穿的失效率较高，这说明较厚的二氧化硅中含有较多的缺陷。（3）栅氧化层性能退化的机理：栅氧化层出现性能退化的主要原因是强电场使得栅氧化层产生了漏电、并从而导致的击穿。a）在强电场作用下，栅氧化层产生漏电往往是一种常见的现象。实际上，当氧化层中的电场强度大于6MV/cm时，即使是非常优质的氧化层，也将会产生由于量子效应所引起的所谓F-N（Flowler-Nordheim）型隧道电流。随着器件尺寸的缩小，氧化层厚度也相应地越来越薄（对于LSI而言，一般总是选取栅氧化层厚度为沟道长度的1/50左右），则氧化层的这种F-N型隧道电流也将越来越显著。例如，对于厚度为10nm的栅氧化层，在电源电压为5V时，氧化层中的电场就已经大于5MV/cm，所以往往就必须考虑F-N型隧道电流以及所引起的击穿。b）栅氧化层的不断漏电，就会导致氧化层击穿，这是由于漏电会使得在氧化层中积蓄起很多电荷（正电荷或者负电荷）的缘故。因为栅氧化层中往往存在许多陷阱（电子陷阱、空穴陷阱或者中性陷阱），当氧化层有隧道电流通过时，则这些陷阱就会俘获载流子、积蓄起正电荷或者负电荷，并使得氧化层的局部电场增强；由于电荷积蓄而导致局部电场增强时的能带图见图（b）和（c），其中（a）是没有电荷积蓄时的能带图。局部的电荷积蓄得越多，电场也就越强。随着时间的推移，当陷阱积蓄有大量电荷、局部电场足够强时，则最终就将导致Si-O价键断裂，即发生永久性的破坏击穿。可见，栅氧化层的经时击穿与载流子的穿越氧化层（F-N隧道电流）有关，也与氧化层中的陷阱有关。而对经时击穿影响最大的载流子是空穴；因为空穴的迁移率远小于电子迁移率，则当高能量热电子注入到氧化硅、并出现倍增效应时，倍增出来的空穴即很容易被陷阱所俘获，则积蓄起正电荷，从而使得局部电场增强；热电子的不断注入和倍增，就会进一步积蓄正电荷，当这些正电荷形成的局部电场很高时，最终即发生击穿。为了