如何準確測試MOSFET的導通電阻-MOSFET導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)中表示導體對電流阻礙作用的大小。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大。不同的導體，電阻一般不同，電阻是導體本身的一種特性。電阻將會(huì )導致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。而超導體則沒(méi)有電阻。
（一）本質(zhì)
正常金屬有電阻，是因為載流子會(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。在超導情況下，組成庫伯對的電子不斷地相互散射，但這種散射不影響庫伯對質(zhì)心動(dòng)量，所以有電流通過(guò)超導體時(shí)庫伯對的定向移動(dòng)不受阻礙，沒(méi)有電阻。
（二）單位表示
導體的電阻通常用字母R表示，電阻的單位是歐姆（ohm），簡(jiǎn)稱(chēng)歐，符號是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）
電阻值的測量通常比較簡(jiǎn)單。但是，對于非常小阻值的測量，我們必須謹慎對待我們所做的假定。對于特定的幾何形狀，如電線(xiàn)，Kelvin方法是非常精確的?？梢允褂妙?lèi)似的方法來(lái)測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。僅僅運用Kelvin法本身無(wú)法保證精度。如果布局和連接數發(fā)生變化，就很難精確地預測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通電阻（RDS(on)）。在封裝完成之后測量RDS(on)很簡(jiǎn)單，但是以晶圓形式測量該值更具有其優(yōu)勢。
為了保證Kelvin阻值測量的精度，需要考慮幾項重要的因素：(1)待測器件（DUT）的幾何形狀；(2)到器件的接線(xiàn)；(3)材料的邊界；(4)各種材料（包括接線(xiàn)）的體電阻率。
一種測量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）。因為卡盤(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值足以給RDS(on)的測量引入較大的誤差。僅僅重新放置卡盤(pán)上晶圓的位置就會(huì )改變接觸區域并影響RDS(on)的測量結果。
圖1 典型的測量結構，橫截面視圖
另一種測量偏差來(lái)源是探針的布局。如果移動(dòng)了強制電流探針，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 )改變電壓檢測探針處的電壓。
需要的設備包括：(1)帶有6個(gè)可用探針的探針臺；(2)電壓計；(3)電流源。將晶圓和導電的卡盤(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)，改變了測量結果?？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)在待測器件的另一側使用相鄰的完全相同的器件來(lái)實(shí)現的。內部晶圓結構要比晶圓和卡盤(pán)之間的連接牢固得多。因此，相鄰晶粒方法要比傳統的RDS(on)測量方法精確得多。
圖2顯示了測量的結構。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是待測器件。
圖2 RDS(on)測量結構
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。左側的MOSFET的作用是在待測器件的漏極側施加電流。待測器件右側的MOSFET用于測量漏極電壓。
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 )降低待測器件上的實(shí)際柵極電壓。因為在RDS(on)測量過(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，那么測量結果可能不正確。
RDS(on)的取值是通過(guò)計算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)完全精確的測量值。為了得到僅由有源區貢獻的RDS(on)，可以將測量結果與仿真進(jìn)行對比。有限元分析（FEA）軟件可以用來(lái)為測量結構建模。一旦建立了有源區電阻和RDS(on)測量值之間的關(guān)系，就可以根據測量結果確定有源區的電阻。
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，有源區電阻是已知的。FEA軟件用來(lái)對測試結構建模并計算RDS(on)測量結果。仿真過(guò)程進(jìn)行兩次，使用兩個(gè)不同的有源區電阻值來(lái)計算結果。因為響應的線(xiàn)性相當好，所以電阻值是任意選取的。對每種晶粒的尺寸，這種仿真只需要進(jìn)行一次。利用仿真測量結果和實(shí)際有源區的電阻之間的關(guān)系，可以得到一個(gè)公式，用來(lái)根據相鄰晶粒方法的測量值計算有源區電阻。
有幾項因素會(huì )給測量引入誤差。最重要的因素是探針的位置以及基底的電阻率。
從仿真結果可以看出，有些因素對測量結果的影響非常小?；椎暮穸韧ǔＪ?00μm。厚度從175μm變化到225μm只會(huì )給RDS(on)帶來(lái)1%的誤差（仿真的測量結果）。同樣，背墊金屬表面電阻的變化對結果的影響也不會(huì )超過(guò)1%。仿真得到的一項驚人的結果表明，頂部金屬厚度和電阻率對結果的影響也可以忽略不計。
基底電阻率的變化會(huì )給RDS(on)測量結果帶來(lái)線(xiàn)性響應。圖3顯示了遠遠超出實(shí)際基底正常分布的基底電阻率。這樣做是為了顯示響應是線(xiàn)性的。
圖3 由于基底電阻率造成的仿真結果的誤差
探針在待測器件上的擺放位置必須保持一致。探針位置的變化會(huì )造成測量結果的變化。待測器件左側和右側器件上探針的位置（見(jiàn)圖2中的A和D）也會(huì )影響測量結果，但是影響沒(méi)有前者大。造成這種測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(xiàn)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量MOSFET有源區的RDS(on)的方法。它在檢測不同批次晶圓的差別方面非常有用。
mos管導通電阻，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)對這個(gè)電阻很迷茫，現介紹一下它的作用：
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.防止柵極出現浪涌過(guò)壓（柵極上并聯(lián)的穩壓管也是防止過(guò)壓產(chǎn)生）
4.全橋柵極電阻也是同樣機理，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 )導通，導致全橋短路
5.驅動(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管的導通電阻分布。不同耐壓的MOS管，其導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通電阻的29%，耐壓600V的MOS管的外延層電阻則是總導通電阻的96.5%。
由此可以推斷耐壓800V的MOS管的導通電阻將幾乎被外延層電阻占據。欲獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并增厚。這就是常規高壓MOS管結構所導致的高導通電阻的根本原因。
2.降低高壓MOS管導通電阻的思路。增加管芯面積雖能降低導通電阻，但成本的提高所付出的代價(jià)是商業(yè)品所不允許的。引入少數載流以上兩種辦法不能降低高壓MOS管的導通電阻，所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區域和導電通道的高摻雜、低電阻率分開(kāi)解決。如除導通時(shí)低摻雜的高耐壓外延層對導通電阻只能起增大作用外并無(wú)其他用途。
這樣，是否可以將導電通道以高摻雜較低電阻率實(shí)現，而在MOS管關(guān)斷時(shí)，設法使這個(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推出內建橫向電場(chǎng)耐壓為600V的COOLMOS管，使這一想法得以實(shí)現。內建橫向電場(chǎng)的高壓MOS管的剖面結構及高阻斷電壓低導通電阻的示意圖如圖所示。
與常規MOS管結構不同，內建橫向電場(chǎng)的MOS管嵌入垂直P(pán)區將垂直導電區域的N區夾在中間，使MOS管關(guān)斷時(shí)，垂直的P與N之間建立橫向電場(chǎng)，并且垂直導電區域的N摻雜濃度高于其外延區N-的摻雜濃度。
當VGS＜VTH時(shí)，由于被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的N型導電溝道不能形成，并且D，S間加正電壓，使MOS管內部PN結反偏形成耗盡層，并將垂直導電的N區耗盡。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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