MOS测试原理 - 图文

GTM Electronics (Shanghai) Ltd.

MOS測試原理解析

By Antly_law

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?MOSFET Related

?廠內分析MOSFET異常方法?習題

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MOSFET定義?MOSFET=Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor即金属-氧化层-半导体-场效晶体管.场效晶体管（field-effect transistor）。

?MOSFET是一种可以广泛使用在类比电路与数位电路的

?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NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等

?

1.单极性器件(一种载流子导电)

?特點：

?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

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MOSFET結構?增強型NMOS結構與符號;S DGN+N+P 型衬底耗尽层(掺杂浓度低)?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

B?符號如右

DG

BS

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MOSFET工作原理?增強型NMOS工作原理;1)uGS 对导电沟道的影响(uDS = 0),如左圖???

A.当UGS = 0，DS 间为两个背对背的PN 结；B.当0 < UGS < UGS(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。

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。

反型层(沟道)

2)uDS对iD的影响(uGS > UGS(th))

???

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。

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MOSFET特性曲線?增強型NMOS特性曲線：轉移特性曲線iD?f(uGS)U4321

DSiD/mA2 4 6uGS/V

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MOSFET特性曲線?增強型NMOS特性曲線：輸出特性曲線iD/mAiD?f(uDS)UGS8V可6V变电恒流区4 V阻区uGS = 2 VuDS/V截止区?可變電阻區：uDS < uGS ?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)

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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: Tesec 881（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BOX

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MOSFET的直流參數及測試目的?測試項目：?1.IGSS:Gate-to-Source Forward Leakage Current?2.IDSS：Drain-to-Source Forward Leakage Current?3.BVDSS：Drain-to-Source Breakdown Voltage?4.VTH：Gate Threshold Voltage

?5.RDSON：Static Drain-to-Source On-Resistance?6.VFSD：Diode Forward Voltage?7.GMP：GFS

?8.VP: Pinch-Off Voltage

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MOSFET的直流參數及測試目的?1.測試項目(IGSS)，測試線路如右：?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。?測試方法：D,S 短接，GS端給電壓，量測IGS?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

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MOSFET的直流參數及測試目的?2.測試項目(IDSS)，測試線路如右：?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?測試方法：G,S 短接，DS端給電壓，量測IDS?測試目的：

1.檢測DS間是否有暗裂

2.建議放在BVDSS后測試

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MOSFET的直流參數及測試目的?3.測試項目(BVDSS)，測試線路如右：?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=250 uA . 該特性與溫度成正比?測試方法：G,S 短接，DS端給電流，量測VDS=VD-VS?測試目的：1.檢測產品是否擊穿

2.可用來檢測產品混料

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MOSFET的直流參數及測試目的?4.測試項目(VTH)，測試線路如右：?VTH：使MOS 開始導通的輸入電壓稱THRESHOLD VOLTAGE。由於電壓在VGS(TH)以下，POWER MOS 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

?測試方法：

G,D 短接，DS端給電流，量測VTH=VGS=VD-VS?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=1

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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POWER MOSFET最受矚目之參數RDS(on)=RSOURCE+ RCHANNEL+ RACCUMULATION+ RJFET+ R DRIFT(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.

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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Ball off異常時，可用來加嚴測試，篩選出異常品

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MOSFET的直流參數及測試目的?6.測試項目(VFSD)，測試線路如右：?VFSD：此為內嵌二極管的正向導通壓降，VFSD=VS-VD?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?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Source wire球脫現象?Remark：Tesec 881中，VFSD+ 可以寫成VGS=0V,VFSD代表G腳Open

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MOSFET的直流參數及測試目的?7.測試項目(VP)，測試線路如右：?VP：夾斷電壓?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?測試目的：

1.檢測Source Open（Source未打線或者有Ball off現象），如果Source未打線，則VP=VGS Limit=28V2.當GS OK,DS Short，此時VP=Vgs limit

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MOSFET的直流參數及測試目的?8.測試項目(GMP)，測試線路如右：?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. ?測試方法：GD Short，從DS間灌入一個電流(一般為250uA)量測IDS及VGS,用ID/VGS 得到GFS

?測試目的：檢驗產品在某種條件下的電流與電壓的變化量?在Tesec 881中，可以用Delta I/Delta Vp來進行替換測試，其時間要求如下：VP1:ID Time=380uSVP2:0.9*ID Time=780uSGMP=(0.9*ID)/Delta(VP1-VP2)

GDFORCEIDS=250uVADSSMEASURE IDS/VGSGTM_ENG 學習資料

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MOSFET的交流參數?AC PARAMETER?DYNAMIC CHARACTERISTICS CISS , COSS ,CRSS

?

GATE CHARGE QG/QGS/QGD

?

TURN-ON/OFF DELAY TIME TD (ON) /TD (OFF)

?

RISE / FALL TIME TR /TF

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MOSFET的交流參數?DYNAMIC CHARACTERISTICS?CISS = CGS+CGDCOSS = CDS+CGS //CGDCRSS = CGDDCISS , COSS ,CRSSCISS : 此為POWER MOS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。

CGDGCDSCGSSGTM_ENG 學習資料

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MOSFET的交流參數20161284Qgd0 20 40 60 80 100Qg Total Gate Charge(nC)QgsVgs Gate to Source Voltage(V)?GATE CHARGE ?Total QgQG/QGS/QGD?POWER MOS 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。?POWER MOS 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POWER MOS 的電壓下降。

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MOSFET的交流參數?GATE CHARGE ?

QG/QGS/QGD開始導通: 當所加的電壓VDS有變化時，空乏層的厚度d也會發生變化。

GATEdd”DRAIN

完全導通: 在完全導通時，輸入電容量可以視為CGD與CGS之和。

GATEdDRAIN

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MOSFET的交流參數?TURN-ON/OFF DELAY TIME?TD (ON) /TD (OFF)?導通時間TON :此為導通延遲時間TD(ON)與上升時間TR的和。由閘極電壓上昇至10%到VDS由於ON而下降至90%之值為止的時間，稱之為TD(ON)，而進一步至VDS成為10%之值為止的時間稱之為TR 。此一導通時間與閘極電壓以及信號源的阻抗有很大的關係，大致上成為TON 》RG/VGS的關係。

?截流時間TOFF :

此為截流時間TD(OFF)與下降時間TF之和。由閘極電壓下降至90%開始，至VDS成為OFF而上昇至10%之值為止的時間。稱之為TD(OFF) ，更進一步至VDS上昇至90%為止的時間，稱之為TF 。此一截流時間TOFF也與導通時間一樣與信號源阻抗及閘極電壓有很大關係。大致上可以用TOFF 》RG/VGS表示。

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MOSFET Related?POWER RELATED?

POWER DISSAPATIONCURRENT RATING

MAXIMUM CURRENT REATIHGAVALANCHE

?

?

?

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MOSFET Related?POWER DISSAPATIONPD:為元件上所能承受電功率.其運算式為:PD(max) = ( TJ–TC) / RθJC

PD(max) = (150 ℃-25 ℃) / 2.1 ℃/W

= 60 W

TJ = 元件接合溫度.TC = 外殼溫度.

RθJC= 晶片至外殼的熱電阻

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MOSFET Related?CURRENT RATINGID: 為元件所能提供最大連續電流.

ID運算式:

ID = √[ PD/ RDSON(MAX)] ID = √[60W / 5*2.5Ω]= 2A

*PD = @TJ=150℃

*RDSON(MAX) = R(T)*RDSON(MAX)

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MOSFET Related?MAXIMUM CURRENT REATIHGIDM: 為元件所能承受瞬間最大電流.IDM運算法:

關於IDM值,該值乃是根據RDSON–溫度曲線圖和熱阻曲線計算得知.1.由SINGLE PULSE 300uS代入FIGURE 得知R(T)約等於0.15. 2.R θJC(T) = R θJC* R(T)

= 2.1℃/W *0.15= 0.315 ℃/W

3.PDM = (TJ-TC)/R θJC(T)

= (150℃-25℃)/0.315 ℃/W= 396℃/W.

4.IDM = √[PDM/RDSON(max)]

= √(396℃/W /10.5Ω) = 6 A .

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MOSFET Related?AVALANCHEVDSD.U.T.LEASAVALANCHE ENERGY 計算公式如下:EAS= 1/2*L*I*I[V(BR)DSS/(V(BR)DSS-VDD)]VDDRG= 1/2 *60 mH *2 A *2A * [600/(600-50)]=120 mJEAS=雪崩能量tptp0.01ΩIASV(BR)DDVDDL=電感值I=電感峰值電流BVDSS=雪崩擊穿電壓VDD=電源電壓.

IASVDSGTM_ENG 學習資料

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廠內分析MOSFET 異常方法?分析流程：外觀檢查?DC?X-ray?De-cap?Cratering?無異常反饋客戶，若分析中發現有異常，需再確認，並開立異常單轉內部處理，依要求做信賴性驗證及反饋客戶

?外觀檢查:看是否有暗裂，樹脂破等異常

?DC:Socket驗證產品是否為誤判

?X-ray:觀察打線是否異常？共錫產品是否有空洞？銀膠產品是否有氣泡？?De-cap：確認D/S, D/B, W/B,M/D製程有無異常，如晶粒表面刮傷，釘傷，

球扁壓及鋁路，Ball off，E點脫落，頸部短線，塌線，晶粒暗裂及其他

?Cratering：檢查W/B製程是否存在Bonding異常?其它分析手法：SAT,Cross setcion，等…

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習題?1.請寫出MOSFET的DC參數?2.請寫出KDK-2003測試PNP管時Rdson的條件?3.請寫出Tesec 881測試VFSD,VFSD+分別代表什麼意思?4.請寫出KDK-2002測試VTH的替代項目

?5.問題：TESEC 881程式是否能與8820共用？請告知原由？?6.請寫出廠內測試分立器件的測試機的電流電壓參數?7.實習題：請實際操作並整理一份MOSFET的OS測試資料

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Thaks a lot

劉進軍

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zwmf.html