MOS测试原理解析

GTMElectronics(Shanghai)Ltd.MOS測試原理解析ByAntly_law2GTM_ENG學習資料MOSFET-簡介►MOSFET定義及特點►MOSFET結構►MOSFET工作原理(NMOS)►MOSFET特性曲線(NMOS)►分立器件測試機►MOSFET的直流參數及測試目的►MOSFET的交流參數►MOSFETRelated►廠內分析MOSFET異常方法►習題GDS3GTM_ENG學習資料MOSFET定義►MOSFET=Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor即金属-氧化层-半导体-场效晶体管.►MOSFET是一种可以广泛使用在类比电路与数位电路的场效晶体管（field-effecttransistor）。►MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等►特點：•1.单极性器件(一种载流子导电)•2.输入电阻高(1071015，IGFET(絕緣柵型)可高达1015)•3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低4GTM_ENG學習資料MOSFET結構►增強型NMOS結構與符號;GP型衬底(掺杂浓度低)N+N+SDB耗尽层•在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏—源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的•符號如右SGDB5GTM_ENG學習資料MOSFET工作原理►增強型NMOS工作原理;•A.当UGS=0，DS间为两个背对背的PN结；•B.当0UGSUGS(th)(开启电压)时，GB间的垂直电场吸引P区中电子形成离子区(耗尽层)；•C.当uGSUGS(th)时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS越大沟道越厚。反型层(沟道)1)uGS对导电沟道的影响(uDS=0),如左圖DS间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。•1.预夹断(UGD=UGS(th))：漏极附近反型层消失。.•2.预夹断发生之前：uDSiD。•3.预夹断发生之后：uDSiD不变。2)uDS对iD的影响(uGSUGS(th))6GTM_ENG學習資料MOSFET特性曲線►增強型NMOS特性曲線：轉移特性曲線DS)(GSDUufi2464321uGS/ViD/mA7GTM_ENG學習資料MOSFET特性曲線►增強型NMOS特性曲線：輸出特性曲線GS)(DSDUufiiD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V恒流区截止区可变电阻区•可變電阻區：uDSuGSUGS(th)uDSiD，直到预夹断•飽和放大區：uDS，iD不变uDS加在耗尽层上，沟道电阻不变•截止區：uGSUGS(th)全夹断iD=0每一條曲線均是由每一個Vgs電壓得來的橫軸為UDS(單位:V)縱軸為ID(單位為Ma)8GTM_ENG學習資料分立器件測試機►目前廠內測試分立器件的模擬測試機有：•1.TESEC:Tesec881（20A,1000V);Tesec8820(3A,500V)•2.KDK:KDK2002(10A,1000V);KDK2003(30A,1500V)•3.聯動測試機:30A,1000V•4.SM-2095:(5A,500V)1.對于測試MOSFET及其他分立器件，用規格較小測試機撰寫的程序均可在規格較大的測試機上測試，切勿反之！2.Tesec881+8610-Cu（大電流）可測到200A.3.測試MOSFET時，使用9824BOX（G-I-O腳位)盒.晶體管使用BCE腳位之BOX9GTM_ENG學習資料MOSFET的直流參數及測試目的►測試項目：•1.IGSS:Gate-to-SourceForwardLeakageCurrent•2.IDSS：Drain-to-SourceForwardLeakageCurrent•3.BVDSS：Drain-to-SourceBreakdownVoltage•4.VTH：GateThresholdVoltage•5.RDSON：StaticDrain-to-SourceOn-Resistance•6.VFSD：DiodeForwardVoltage•7.GMP：GFS•8.VP:Pinch-OffVoltage10GTM_ENG學習資料►1.測試項目(IGSS)，測試線路如右：•測試方法：D,S短接，GS端給電壓，量測IGS•IGSS：此為在閘極周圍所介入的氧化膜的洩極電流，此值愈小愈好，當所加入的電壓，超過氧化膜的耐壓能力時，往往會使元件遭受破壞。•測試目的：1.檢測Gate氧化層是否存在異常2.檢測因ESD導致的damage3.檢測Bonding后有無Short情形MOSFET的直流參數及測試目的11GTM_ENG學習資料MOSFET的直流參數及測試目的►2.測試項目(IDSS)，測試線路如右：•測試方法：G,S短接，DS端給電壓，量測IDS•IDSS：即所謂的洩漏電流，通常很小，但是有時為了確保耐壓，在晶片周圍的設計，多少會有洩漏電流成分存在，此最大可能達到標準值10倍以上。該特性與溫度成正比•測試目的：1.檢測DS間是否有暗裂2.建議放在BVDSS后測試12GTM_ENG學習資料MOSFET的直流參數及測試目的►3.測試項目(BVDSS)，測試線路如右：•測試方法：G,S短接，DS端給電流，量測VDS=VD-VS•BVDSS：此為Drain端–Source端所能承受電壓值,主要受制內藏逆向二極體的耐壓,其測試條件為VGS=0V,ID=250uA.該特性與溫度成正比•測試目的：1.檢測產品是否擊穿2.可用來檢測產品混料13GTM_ENG學習資料MOSFET的直流參數及測試目的►4.測試項目(VTH)，測試線路如右：•測試方法：G,D短接，DS端給電流，量測VTH=VGS=VD-VS•VTH：使MOS開始導通的輸入電壓稱THRESHOLDVOLTAGE。由於電壓在VGS(TH)以下，POWERMOS處於截止狀態，因此，VGS(TH)也可以看成耐雜訊能力的一項參數。VGS(TH)愈高，代表耐雜訊能力愈強，但是，如此要使元件完全導通，所需要的電壓也會增大，必須做適當的調整，一般約為2~4V，與BJT導通電壓VBE=0.6V比較，其耐雜訊能力相當良好。該特性與溫度成反比•測試目的：1.檢測產品的OS2.可用來檢測產品混料3.檢測W/B制程之Gate線•KDK2002中，VTH寫法為VGSF+CB=114GTM_ENG學習資料MOSFET的直流參數及測試目的►5.測試項目(Rdson)，測試線路如右：•RDSON：導通電阻值,低壓POWERMOSFET最受矚目之參數RDS(on)=RSOURCE+RCHANNEL+RACCUMULATION+RJFET+RDRIFT(EPI)+RSUBSTRATE低壓POWERMOSFET導通電阻是由不同區域的電阻所組成，大部分存在於RCHANNEL，RJFET及REPI，在高壓MOS則集中於REPI。為了降低導通電阻值，Mosfet晶片技術上朝高集積度邁進，在製程演進上，TRENCHDMOS以其較高的集積密度，逐漸取代PLANARDMOS成為MOSFET製程技術主流。該特性與溫度成正比.15GTM_ENG學習資料MOSFET的直流參數及測試目的►5.測試項目(Rdson)，測試線路如右：•測試方法：GS給電壓，DS端給電流ID，量測VDS用VDS/ID得到Rdson1.分立器件測試機均是由此公式換算得出2.KDK-2002/2003在寫測試條件時，Range部分請選擇10,其PNP極性VGS需寫成負值•測試目的：在產品出現Balloff異常時，可用來加嚴測試，篩選出異常品16GTM_ENG學習資料MOSFET的直流參數及測試目的►6.測試項目(VFSD)，測試線路如右：•測試方法：依照客戶要求決定測試方法：1.一個是VGS=0V，量測DS間二極管的壓降2.一個是G腳Open，量測DS間二極管的壓降•VFSD：此為內嵌二極管的正向導通壓降，VFSD=VS-VD•測試目的：1.檢測晶圓製程中的異常，如背材脫落2.檢測W/B過程中有無Sourcewire球脫現象•Remark：Tesec881中，VFSD+可以寫成VGS=0V,VFSD代表G腳Open17GTM_ENG學習資料MOSFET的直流參數及測試目的►7.測試項目(VP)，測試線路如右：•測試方法：給GS一個電壓，從DS間灌入一個電流(一般為250uA)調整IG直到ID=設定電流，量測VGS=VG-VS•VP：夾斷電壓•測試目的：1.檢測SourceOpen（Source未打線或者有Balloff現象），如果Source未打線，則VP=VGSLimit=28V2.當GSOK,DSShort，此時VP=Vgslimit18GTM_ENG學習資料MOSFET的直流參數及測試目的►8.測試項目(GMP)，測試線路如右：•測試方法：GDShort，從DS間灌入一個電流(一般為250uA)量測IDS及VGS,用ID/VGS得到GFS•GMP：又叫GFS.代表輸入與輸出的關係即GATE電壓變化,DRAIN電流變化值,單位為S.當汲極電流愈大,GFS也會增大.在切換動作的電路中,GFS值愈高愈好.•測試目的：檢驗產品在某種條件下的電流與電壓的變化量GDSFORCEIDS=250uAMEASUREIDS/VGSVDS•在Tesec881中，可以用DeltaI/DeltaVp來進行替換測試，其時間要求如下：VP1:IDTime=380uSVP2:0.9*IDTime=780uSGMP=(0.9*ID)/Delta(VP1-VP2)19GTM_ENG學習資料MOSFET的交流參數►ACPARAMETERDYNAMICCHARACTERISTICSCISS,COSS,CRSSGATECHARGEQG/QGS/QGDTURN-ON/OFFDELAYTIMETD(ON)/TD(OFF)RISE/FALLTIMETR/TF20GTM_ENG學習資料MOSFET的交流參數►DYNAMICCHARACTERISTICSCISS,COSS,CRSSGDSCDSCGDCGSCISS=CGS+CGDCOSS=CDS+CGS//CGDCRSS=CGDCISS:此為POWERMOS在截止狀態下的閘極輸入容量，為閘--源極間容量CGS與閘--汲極間容量CGD之和。特別是CGD為空乏層容量。其導通時的最大值，即是VDS=0V時。COSS:此為汲極--源極間的電容量，也可以說是內藏二極體在逆向偏壓時的容量。CRSS:此為汲極--閘極間的電容量，此對於高頻切換動作最有不良影響。為了提高元件高頻特性，CGD要愈低愈好。21GTM_ENG學習資料MOSFET的交流參數•POWERMOS的切換動作過程可以說是一種電荷移送現象。由於閘極完全是由絕緣膜覆蓋，其輸入阻抗幾乎是無限大，完全看輸入電容量的充電/放電動作來決定切換動作的狀態。•POWERMOS在導通前可以分--啟閘值電壓之前/開始導通/完全導通三種狀態:•啟閘值電壓:在電壓達到啟閘值電壓之前，輸入電容量幾乎是與閘極電容量CGS相等。在閘極正下方的汲極領域的空乏區會擴展，閘極--汲極間的電容量與電極間距離有關。在導通的初期狀態，由於有Miller效應，輸入電容量的變化很複雜。當汲極電流愈增加時，Av也會增加，Miller效應會愈明顯。隨著汲極電流的增大，負載電阻的壓降也會增大，使加在POWERMOS的電壓下降。►GATECHARGEQG/QG