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MOS管為什么會(huì)被靜電擊穿?
MOS管一個(gè)ESD敏感器件,它本身的輸入電阻很高,而柵-源極間電容又非常小,所以極易受外界電磁場或靜電的感應(yīng)而帶電,少量電荷就可能在極間電容上形成相當(dāng)高的電壓(想想U(xiǎn)=Q/C)將管子損壞,又因在靜電較強(qiáng)的場合難于泄放電荷,容易引起靜電擊穿。
靜電擊穿有兩種方式:一是電壓型,即柵極的薄氧化層發(fā)生擊穿,形成針孔,使柵極和源極間短路,或者使柵極和漏極間短路;二是功率型,即金屬化薄膜鋁條被熔斷,造成柵極開路或者是源極開路。JFET管和MOS管一樣,有很高的輸入電阻,只是MOS管的輸入電阻更高。
靜電放電形成的是短時(shí)大電流,放電脈沖的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于器件散熱的時(shí)間常數(shù)。因此,當(dāng)靜電放電電流通過面積很小的pn結(jié)或肖特基結(jié)時(shí),將產(chǎn)生很大的瞬間功率密度,形成局部過熱,有可能使局部結(jié)溫達(dá)到甚至超過材料的本征溫度(如硅的熔點(diǎn)1415℃),使結(jié)區(qū)局部或多處熔化導(dǎo)致pn結(jié)短路,器件徹底失效。這種失效的發(fā)生與否,主要取決于器件內(nèi)部區(qū)域的功率密度,功率密度越小,說明器件越不易受到損傷。
反偏pn結(jié)比正偏pn結(jié)更容易發(fā)生熱致失效,在反偏條件下使結(jié)損壞所需要的能量只有正偏條件下的十分之一左右。這是因?yàn)榉雌珪r(shí),大部分功率消耗在結(jié)區(qū)中心,而正偏時(shí),則多消耗在結(jié)區(qū)外的體電阻上。對(duì)于雙極器件,通常發(fā)射結(jié)的面積比其它結(jié)的面積都小,而且結(jié)面也比其它結(jié)更靠近表面,所以常常觀察到的是發(fā)射結(jié)的退化。此外,擊穿電壓高于100V或漏電流小于1nA的pn結(jié)(如JFET的柵結(jié)),比類似尺寸的常規(guī)pn結(jié)對(duì)靜電放電更加敏感。
所有的東西是相對(duì)的,不是絕對(duì)的,MOS管只是相對(duì)其它的器件要敏感些,ESD有一個(gè)很大的特點(diǎn)就是隨機(jī)性,并不是沒有碰到MOS管都能夠把它擊穿。另外,就算是產(chǎn)生ESD,也不一定會(huì)把管子擊穿。靜電的基本物理特征為:(1)有吸引或排斥的力量;(2)有電場存在,與大地有電位差;(3)會(huì)產(chǎn)生放電電流。這三種情形即ESD一般會(huì)對(duì)電子元件造成以下三種情形的影響:(1)元件吸附灰塵,改變線路間的阻抗,影響元件的功能和壽命;(2)因電場或電流破壞元件絕緣層和導(dǎo)體,使元件不能工作(完全破壞);(3)因瞬間的電場軟擊穿或電流產(chǎn)生過熱,使元件受傷,雖然仍能工作,但是壽命受損。所以ESD對(duì)MOS管的損壞可能是一,三兩種情況,并不一定每次都是第二種情況。上述這三種情況中,如果元件完全破壞,必能在生產(chǎn)及品質(zhì)測試中被察覺而排除,影響較少。如果元件輕微受損,在正常測試中不易被發(fā)現(xiàn),在這種情形下,常會(huì)因經(jīng)過多次加工,甚至已在使用時(shí),才被發(fā)現(xiàn)破壞,不但檢查不易,而且損失亦難以預(yù)測。靜電對(duì)電子元件產(chǎn)生的危害不亞于嚴(yán)重火災(zāi)和爆炸事故的損失。
電子元件及產(chǎn)品在什么情況下會(huì)遭受靜電破壞?可以這么說:電子產(chǎn)品從生產(chǎn)到使用的全過程都遭受靜電破壞的威脅。從器件制造到插件裝焊、整機(jī)裝聯(lián)、包裝運(yùn)輸直至產(chǎn)品應(yīng)用,都在靜電的威脅之下。在整個(gè)電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中,每一個(gè)階段中的每一個(gè)小步驟,靜電敏感元件都可能遭受靜電的影響或受到破壞,而實(shí)際上最主要而又容易疏忽的一點(diǎn)卻是在元件的傳送與運(yùn)輸?shù)倪^程。在這個(gè)過程中,運(yùn)輸因移動(dòng)容易暴露在外界電場(如經(jīng)過高壓設(shè)備附近、工人移動(dòng)頻繁、車輛迅速移動(dòng)等)產(chǎn)生靜電而受到破壞,所以傳送與運(yùn)輸過程需要特別注意,以減少損失,避免無所謂的糾紛。防護(hù)的話加齊納穩(wěn)壓管保護(hù)。
現(xiàn)在的MOS管沒有那么容易被擊穿,尤其是是大功率的VMOS,主要是不少都有二極管保護(hù)。VMOS柵極電容大,感應(yīng)不出高壓。與干燥的北方不同,南方潮濕不易產(chǎn)生靜電。還有就是現(xiàn)在大多數(shù)CMOS器件內(nèi)部已經(jīng)增加了IO口保護(hù)。但用手直接接觸CMOS器件管腳不是好習(xí)慣,至少使管腳可焊性變差。
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