如(ru)何准确(que)测(ce)试MOSFET的导通电(dian)阻(zu)-MOSFET导通电(dian)阻(zu)的作用与原理等解(jie)析-KIA MOS管

信息(xi)来(lai)源：本站　日期：2019-08-23　

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如何准确测试MOSFET的导通电阻-MOSFET导通电阻的作用与原理等解析

电阻简介

电(dian)阻(zu)(zu)（Resistance，通常(chang)用“R”表示），是(shi)一个物理量(liang)(liang)，在物理学中表示导(dao)(dao)(dao)体(ti)对电(dian)流阻(zu)(zu)碍作用的(de)(de)(de)大小。导(dao)(dao)(dao)体(ti)的(de)(de)(de)电(dian)阻(zu)(zu)越大，表示导(dao)(dao)(dao)体(ti)对电(dian)流的(de)(de)(de)阻(zu)(zu)碍作用越大。不同的(de)(de)(de)导(dao)(dao)(dao)体(ti)，电(dian)阻(zu)(zu)一般不同，电(dian)阻(zu)(zu)是(shi)导(dao)(dao)(dao)体(ti)本身(shen)的(de)(de)(de)一种特性(xing)。电(dian)阻(zu)(zu)将(jiang)会(hui)导(dao)(dao)(dao)致电(dian)子(zi)(zi)流通量(liang)(liang)的(de)(de)(de)变化，电(dian)阻(zu)(zu)越小，电(dian)子(zi)(zi)流通量(liang)(liang)越大，反之亦然。而超导(dao)(dao)(dao)体(ti)则没有(you)电(dian)阻(zu)(zu)。

电阻的本质与单位表示

（一）本质

正常金属有(you)电(dian)阻(zu)，是(shi)(shi)因为载流(liu)子(zi)会受到散射而(er)改变动(dong)(dong)量(liang)。散射的中心(xin)就是(shi)(shi)声子(zi)，缺陷，杂(za)质原子(zi)等。在超导(dao)情况下(xia)，组成库伯对(dui)的电(dian)子(zi)不(bu)断地相(xiang)互散射，但这种散射不(bu)影响库伯对(dui)质心(xin)动(dong)(dong)量(liang)，所以有(you)电(dian)流(liu)通过超导(dao)体时库伯对(dui)的定向移动(dong)(dong)不(bu)受阻(zu)碍，没有(you)电(dian)阻(zu)。

（二）单位表示

导(dao)体的电阻(zu)通(tong)常用(yong)字(zi)母(mu)R表示，电阻(zu)的单位是欧(ou)姆（ohm），简称欧(ou)，符号(hao)是Ω（希腊字(zi)母(mu)，读作(zuo)Omega)，1Ω=1V/A。比较大的单位有千欧(ou)（kΩ）、兆欧(ou)（MΩ）（兆=百(bai)万，即100万）。

KΩ（千(qian)欧）， MΩ（兆欧），他们(men)的(de)换(huan)算(suan)关系(xi)是：两个电(dian)阻并联式也(ye)可(ke)表示为：1TΩ=1000GΩ；1GΩ=1000MΩ；1MΩ=1000KΩ；1KΩ=1000Ω（也就是一(yi)千进(jin)率）

功率MOSFET的导通电阻详解

电(dian)(dian)阻(zu)值(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)测(ce)(ce)量通常比较简单。但是，对(dui)(dui)于非(fei)常小阻(zu)值(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)测(ce)(ce)量，我们必须谨慎对(dui)(dui)待我们所做(zuo)的(de)(de)(de)(de)(de)假定。对(dui)(dui)于特定的(de)(de)(de)(de)(de)几何形状，如(ru)电(dian)(dian)线(xian)，Kelvin方(fang)法(fa)(fa)是非(fei)常精(jing)(jing)确的(de)(de)(de)(de)(de)。可以使用(yong)(yong)类似(si)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)来测(ce)(ce)量均(jun)匀(yun)样本(ben)的(de)(de)(de)(de)(de)体电(dian)(dian)阻(zu)率(lv)和面电(dian)(dian)阻(zu)率(lv)，但是所使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)公式不同。在(zai)这些情况(kuang)下，必须考(kao)虑探针(zhen)间距(ju)和样本(ben)厚度(du)(du)。仅仅运用(yong)(yong)Kelvin法(fa)(fa)本(ben)身(shen)无法(fa)(fa)保(bao)证精(jing)(jing)度(du)(du)。如(ru)果布局和连接(jie)数发生变(bian)化，就很难精(jing)(jing)确地预测(ce)(ce)非(fei)均(jun)匀(yun)几何形状的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)阻(zu)。

MOSFET最(zui)重要的特性之一就是(shi)漏极到源极的导(dao)通电阻(zu)（RDS(on)）。在封装完成之后测量(liang)RDS(on)很简(jian)单(dan)，但是(shi)以晶圆形(xing)式测量(liang)该(gai)值更(geng)具(ju)有其优势。

（一）功率MOSFET的导通电阻-晶圆级测量

为(wei)了保(bao)证Kelvin阻(zu)(zu)值测量的(de)精度，需要考虑几项(xiang)重要的(de)因素：(1)待(dai)测器(qi)件（DUT）的(de)几何形状(zhuang)；(2)到器(qi)件的(de)接(jie)(jie)线(xian)；(3)材料的(de)边(bian)界；(4)各种材料（包括接(jie)(jie)线(xian)）的(de)体电(dian)阻(zu)(zu)率。

一种测量(liang)RDS(on)的典(dian)型方法是在卡(ka)盘（Chuck）和接触(chu)晶圆(yuan)顶(ding)部的探针之间产生电流。另一种方法是在晶圆(yuan)的背面使用(yong)探针来代替卡(ka)盘。这(zhei)种方法可(ke)以精(jing)确到2.5mΩ。

一(yi)种较大(da)的(de)(de)误(wu)差(cha)来(lai)源于晶(jing)圆(yuan)(yuan)和卡(ka)盘之间(jian)的(de)(de)接(jie)(jie)触（如图1所示）。因为卡(ka)盘上以及晶(jing)圆(yuan)(yuan)背面粗糙不平(ping)，所以只有在个别(bie)点进行(xing)电气连接(jie)(jie)。晶(jing)圆(yuan)(yuan)和卡(ka)盘之间(jian)的(de)(de)接(jie)(jie)触电阻(zu)的(de)(de)数值足以给RDS(on)的(de)(de)测量引入较大(da)的(de)(de)误(wu)差(cha)。仅仅重新放置卡(ka)盘上晶(jing)圆(yuan)(yuan)的(de)(de)位置就(jiu)会改变接(jie)(jie)触区(qu)域(yu)并(bing)影响(xiang)RDS(on)的(de)(de)测量结(jie)果。

MOSFET的导通电阻

图(tu)1 典型的(de)测(ce)量结构，横截面视图(tu)

另一种测(ce)量偏差来源是探(tan)针的布局。如果移动了强制电(dian)(dian)流探(tan)针，电(dian)(dian)流的分布模(mo)式将发生变化。这(zhei)会改变电(dian)(dian)压(ya)(ya)梯度(du)模(mo)式，而且会改变电(dian)(dian)压(ya)(ya)检(jian)测(ce)探(tan)针处的电(dian)(dian)压(ya)(ya)。

（二）功率MOSFET的导通电阻-相邻晶粒方法

需要(yao)的设备(bei)包括：(1)带(dai)有6个可(ke)用探(tan)针的探(tan)针台(tai)；(2)电压计；(3)电流(liu)(liu)源(yuan)。将晶圆(yuan)(yuan)和(he)导电的卡盘(pan)隔离开这一点非(fei)常重要(yao)。如(ru)果(guo)晶圆(yuan)(yuan)与(yu)卡盘(pan)存(cun)在接(jie)触，那么这种接(jie)触将造(zao)成电流(liu)(liu)以平行于基底的方式流(liu)(liu)动，改变(bian)了测量(liang)结果(guo)。可(ke)以用一张(zhang)纸(zhi)将晶圆(yuan)(yuan)和(he)卡盘(pan)隔离开。

到漏极的(de)连接是(shi)通过在待测器件的(de)另一侧使用相邻的(de)完全相同(tong)的(de)器件来实现的(de)。内部(bu)晶(jing)(jing)圆(yuan)结构要(yao)比(bi)晶(jing)(jing)圆(yuan)和卡盘之间的(de)连接牢固得多。因(yin)此(ci)，相邻晶(jing)(jing)粒方法要(yao)比(bi)传(chuan)统的(de)RDS(on)测量方法精确得多。

图(tu)2显(xian)示了(le)测(ce)量的(de)结构。3个(ge)MOSFET和6个(ge)探针(zhen)均在图(tu)中(zhong)(zhong)显(xian)示出来，电接触(chu)则示意性地画出。中(zhong)(zhong)间的(de)MOSFET是待测(ce)器(qi)件。

MOSFET的导通电阻

图(tu)2 RDS(on)测量结(jie)构

显示的(de)(de)极(ji)性属于(yu)N沟道MOSFET。漏极(ji)电流受限于(yu)探针的(de)(de)电流传输(shu)能(neng)力。左(zuo)侧(ce)的(de)(de)MOSFET的(de)(de)作用(yong)(yong)是在(zai)待测器件(jian)的(de)(de)漏极(ji)侧(ce)施加电流。待测器件(jian)右侧(ce)的(de)(de)MOSFET用(yong)(yong)于(yu)测量漏极(ji)电压。

在MOSFET中，如(ru)果(guo)栅极(ji)开(kai)启，而且漏(lou)(lou)极(ji)到源极(ji)之(zhi)间(jian)没有电流，那么漏(lou)(lou)极(ji)和源极(ji)的电压相等。这(zhei)种(zhong)方法就利用(yong)这(zhei)个原理来测量探(tan)针D上的漏(lou)(lou)极(ji)电压。

栅(zha)极偏压(ya)被连(lian)接在(zai)探(tan)针(zhen)(zhen)C和(he)E之(zhi)间。如果连(lian)接在(zai)探(tan)针(zhen)(zhen)B和(he)E之(zhi)间，那么(me)探(tan)针(zhen)(zhen)B和(he)源极焊盘之(zhi)间的(de)电压(ya)降会降低待测器件上(shang)的(de)实际(ji)栅(zha)极电压(ya)。因为在(zai)RDS(on)测量(liang)过程中(zhong)没有电流通过，所(suo)以探(tan)针(zhen)(zhen)C上(shang)不存在(zai)电压(ya)降。

相邻晶(jing)粒方法确实(shi)需要右侧的(de)MOSFET（在探(tan)针(zhen)D和(he)F之间）处(chu)于(yu)工作状态。如(ru)果(guo)这个晶(jing)粒上(shang)的(de)栅极和(he)源极被短路(lu)，那么(me)测量结果(guo)可能(neng)不(bu)正确。

RDS(on)的取值是通过计算Vdc/IAB得到(dao)的，但是也可以得到(dao)更加精(jing)确的RDS(on)取值。

（三）功率MOSFET的导通电阻-FEA辅助确定RDS(on)测量值

尽管相邻(lin)晶粒法很精确，但是它并不能给出RDS(on)完全精确的测量值。为(wei)了得到仅由有源区贡献的RDS(on)，可以(yi)将(jiang)测量结果与仿真进(jin)行对比。有限元分析（FEA）软件可以用来为测量结构建(jian)模。一旦建(jian)立了有源(yuan)区电(dian)阻和RDS(on)测量值之间的关系，就可以根据测量结果(guo)确定有源(yuan)区的电(dian)阻。

仿真模型是3个MOSFET和(he)晶圆的(de)一(yi)部(bu)分的(de)三维表示。在有(you)限元(yuan)模(mo)型中，有(you)源区电阻是已知的。FEA软件用来对测试结构(gou)建模(mo)并计算RDS(on)测量结果。仿真过(guo)程进行两(liang)(liang)次(ci)，使用两(liang)(liang)个不(bu)同的有(you)源区电(dian)阻(zu)值来计算结(jie)果(guo)。因为响应的线性相(xiang)当好，所以电(dian)阻(zu)值是任意选(xuan)取的。对(dui)每种晶粒的尺寸，这种仿真只需要进行一次(ci)。利用(yong)仿(fang)真测(ce)量(liang)(liang)结果和实(shi)际(ji)有(you)源区的(de)(de)电(dian)阻(zu)之(zhi)间(jian)的(de)(de)关系(xi)，可以(yi)得到(dao)一个公式，用(yong)来根据相(xiang)邻晶(jing)粒(li)方法的(de)(de)测(ce)量(liang)(liang)值计算有(you)源区电(dian)阻(zu)。

（四）功率MOSFET的导通电阻-相邻晶粒方法2

有几项(xiang)因素会给测(ce)量引入误差。最(zui)重要(yao)的因素是探针的位置以(yi)及基底的电(dian)阻率。

从仿真结果(guo)(guo)(guo)可(ke)以(yi)看出(chu)，有些因素对(dui)测量(liang)结果(guo)(guo)(guo)的(de)(de)影(ying)(ying)响非常小。基(ji)底(di)的(de)(de)厚(hou)度(du)通常是200μm。厚(hou)度(du)从175μm变化(hua)到225μm只会给RDS(on)带来1%的(de)(de)误差（仿真的(de)(de)测量(liang)结果(guo)(guo)(guo)）。同样，背(bei)垫(dian)金属表面(mian)电(dian)阻(zu)的(de)(de)变化(hua)对(dui)结果(guo)(guo)(guo)的(de)(de)影(ying)(ying)响也(ye)(ye)不(bu)会超(chao)过1%。仿真得到的(de)(de)一项惊人的(de)(de)结果(guo)(guo)(guo)表明，顶(ding)部金属厚(hou)度(du)和电(dian)阻(zu)率(lv)对(dui)结果(guo)(guo)(guo)的(de)(de)影(ying)(ying)响也(ye)(ye)可(ke)以(yi)忽略不(bu)计。

基底(di)电阻率的(de)(de)变化会给RDS(on)测量结果带来线(xian)性(xing)响应。图3显示(shi)了远(yuan)远(yuan)超出实际基底(di)正常分布的(de)(de)基底(di)电阻率。这样(yang)做(zuo)是(shi)为了显示(shi)响应是(shi)线(xian)性(xing)的(de)(de)。

MOSFET的导通电阻

图3 由于基(ji)底电阻率(lv)造成的(de)仿(fang)真结果的(de)误差

探针(zhen)在待测器(qi)(qi)件上(shang)的(de)摆放(fang)位置必须保持一(yi)致。探针(zhen)位置的(de)变(bian)化会造成(cheng)测量(liang)结果(guo)(guo)的(de)变(bian)化。待测器(qi)(qi)件左侧(ce)和右(you)侧(ce)器(qi)(qi)件上(shang)探针(zhen)的(de)位置（见图2中(zhong)的(de)A和D）也会影响测量(liang)结果(guo)(guo)，但是影响没有(you)前者大。造成(cheng)这种测量(liang)误差的(de)原因在于顶部(bu)金属的(de)表面电阻大于0。

将探针B或C从源极焊(han)盘中心向边缘(yuan)移(yi)动(dong)会导致较大的误(wu)差。图4显示了(le)移(yi)动(dong)探针B或C所(suo)产生的误(wu)差。每条线表示RDS(on) 2%的误(wu)差。在绘制这张(zhang)图时，使用(yong)了(le)5μm×5μm的网(wang)格。每次只移(yi)动(dong)一(yi)个探针的位置。

MOSFET的导通电阻

图(tu)4 探针位置所引起(qi)的误差

相邻晶粒方法(fa)是一种成本低廉、精确地以晶圆形(xing)式测(ce)量MOSFET有(you)源区的(de)(de)(de)RDS(on)的(de)(de)(de)方法(fa)。它在(zai)检测(ce)不同(tong)批次晶圆的(de)(de)(de)差别方面非(fei)常(chang)有(you)用(yong)。

MOSFET的导通电阻的作用

mos管导通电阻，一般在使用MOS时都会遇(yu)到栅极的电阻选择和(he)使用问题，但有时对(dui)这个电阻很迷(mi)茫，现介(jie)绍一下它的作用：

1.是(shi)分(fen)压作用

2.下拉电阻是(shi)尽快泄放(fang)栅极(ji)电荷将(jiang)MOS管尽快截止

3.防止(zhi)栅(zha)(zha)极出现浪涌过(guo)压(ya)(ya)（栅(zha)(zha)极上并联的稳压(ya)(ya)管也是防止(zhi)过(guo)压(ya)(ya)产生(sheng)）

4.全(quan)(quan)桥栅极电阻(zu)也是同样机理，尽(jin)快泄(xie)放(fang)栅极电荷，将MOS管尽(jin)快截止。避免栅极悬空，悬空的栅极MOS管将会导(dao)通，导(dao)致全(quan)(quan)桥短路

5.驱动管和栅极之间(jian)的(de)电阻起到隔离、防止寄生(sheng)振荡的(de)作用

降低高压MOSFET的导通电阻的原理与方法

1.不(bu)同耐(nai)(nai)压的(de)MOS管(guan)的(de)导(dao)(dao)通(tong)(tong)电阻(zu)(zu)(zu)(zu)分(fen)布。不(bu)同耐(nai)(nai)压的(de)MOS管(guan)，其导(dao)(dao)通(tong)(tong)电阻(zu)(zu)(zu)(zu)中(zhong)各(ge)部(bu)分(fen)电阻(zu)(zu)(zu)(zu)比例分(fen)布也(ye)不(bu)同。如耐(nai)(nai)压30V的(de)MOS管(guan)，其外(wai)延(yan)层电阻(zu)(zu)(zu)(zu)仅为(wei)总导(dao)(dao)通(tong)(tong)电阻(zu)(zu)(zu)(zu)的(de)29%，耐(nai)(nai)压600V的(de)MOS管(guan)的(de)外(wai)延(yan)层电阻(zu)(zu)(zu)(zu)则是总导(dao)(dao)通(tong)(tong)电阻(zu)(zu)(zu)(zu)的(de)96.5%。

由(you)此(ci)可以推断(duan)耐压(ya)800V的MOS管的导通电(dian)(dian)阻(zu)(zu)将(jiang)几乎被外延(yan)(yan)层电(dian)(dian)阻(zu)(zu)占(zhan)据。欲(yu)获得高(gao)阻(zu)(zu)断(duan)电(dian)(dian)压(ya)，就必须(xu)采用高(gao)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)率的外延(yan)(yan)层，并(bing)增厚。这就是常规高(gao)压(ya)MOS管结构(gou)所导致的高(gao)导通电(dian)(dian)阻(zu)(zu)的根本原因。

2.降(jiang)低高(gao)(gao)(gao)(gao)压(ya)MOS管导(dao)(dao)通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻(zu)的(de)(de)思(si)路。增加管芯面积虽(sui)能(neng)降(jiang)低导(dao)(dao)通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻(zu)，但成本的(de)(de)提高(gao)(gao)(gao)(gao)所(suo)付出的(de)(de)代价是(shi)商业品所(suo)不允许的(de)(de)。引入少数(shu)载流以上两种办法(fa)不能(neng)降(jiang)低高(gao)(gao)(gao)(gao)压(ya)MOS管的(de)(de)导(dao)(dao)通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻(zu)，所(suo)剩的(de)(de)思(si)路就是(shi)如何(he)将阻(zu)断高(gao)(gao)(gao)(gao)电(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)低掺(chan)杂、高(gao)(gao)(gao)(gao)电(dian)(dian)阻(zu)率区域和导(dao)(dao)电(dian)(dian)通(tong)(tong)道的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)(gao)掺(chan)杂、低电(dian)(dian)阻(zu)率分开(kai)解决。如除导(dao)(dao)通(tong)(tong)时低掺(chan)杂的(de)(de)高(gao)(gao)(gao)(gao)耐压(ya)外(wai)延层对(dui)导(dao)(dao)通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻(zu)只能(neng)起增大作用外(wai)并无其他用途(tu)。

这(zhei)样，是(shi)否可(ke)以将导(dao)电通道以高掺杂较低(di)电阻(zu)率实(shi)现，而在MOS管关断时(shi)，设(she)法(fa)使这(zhei)个(ge)通道以某(mou)种方式夹断，使整个(ge)器(qi)件(jian)耐压(ya)仅取决于低(di)掺杂的N-外延层。基于这(zhei)种思(si)想，1988年INFINEON推出内建(jian)横向(xiang)电场耐压(ya)为(wei)600V的COOLMOS管，使这(zhei)一想法(fa)得以实(shi)现。内建(jian)横向(xiang)电场的高压(ya)MOS管的剖面结构及(ji)高阻(zu)断电压(ya)低(di)导(dao)通电阻(zu)的示(shi)意图如图所示(shi)。

MOSFET的导通电阻

与常规MOS管(guan)(guan)(guan)结构不同，内建(jian)横向(xiang)电场的(de)MOS管(guan)(guan)(guan)嵌入垂(chui)直(zhi)P区(qu)(qu)将(jiang)垂(chui)直(zhi)导(dao)电区(qu)(qu)域(yu)的(de)N区(qu)(qu)夹在中间(jian)，使MOS管(guan)(guan)(guan)关(guan)断时，垂(chui)直(zhi)的(de)P与N之(zhi)间(jian)建(jian)立横向(xiang)电场，并(bing)且垂(chui)直(zhi)导(dao)电区(qu)(qu)域(yu)的(de)N掺(chan)杂浓(nong)(nong)度(du)高于其外延区(qu)(qu)N-的(de)掺(chan)杂浓(nong)(nong)度(du)。

当VGS＜VTH时(shi)，由于被电(dian)(dian)场(chang)反(fan)型而产生的(de)(de)(de)N型导电(dian)(dian)沟(gou)道不能(neng)形成，并(bing)且D，S间加正(zheng)电(dian)(dian)压(ya)(ya)，使MOS管内部PN结反(fan)偏形成耗(hao)尽层，并(bing)将垂直(zhi)导电(dian)(dian)的(de)(de)(de)N区耗(hao)尽。这个耗(hao)尽层具有纵向高阻断(duan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)，如图（b）所(suo)示(shi)，这时(shi)器件的(de)(de)(de)耐(nai)压(ya)(ya)取决(jue)于P与(yu)N-的(de)(de)(de)耐(nai)压(ya)(ya)。因此N-的(de)(de)(de)低掺杂(za)、高电(dian)(dian)阻率是必需的(de)(de)(de)。

MOSFET的导通电阻