探討MOS管被靜電擊穿的原因分析

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(chǎng)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(chǎng)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(kāi)路或者是源極開(kāi)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(guò)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(guò)熱，有可能使局部結(jié)溫達(dá)到甚至超過(guò)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(shuō)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(méi)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)軟擊穿或電流產(chǎn)生過(guò)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(cè)試中被察覺(jué)而排除，影響較少。如果元件輕微受損，在正常測(cè)試中不易被發(fā)現(xiàn)，在這種情形下，常會(huì)因經(jīng)過(guò)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(cè)。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(shuō)：電子產(chǎn)品從生產(chǎn)到使用的全過(guò)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(guò)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^(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，運(yùn)輸因移動(dòng)容易暴露在外界電場(chǎng)（如經(jīng)過(guò)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(guò)程需要特別注意，以減少損失，避免無(wú)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(méi)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。

MOS管被擊穿的原因及解決方案

第一、MOS管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(chǎng)或靜電的感應(yīng)而帶電，而少量電荷就可在極間電容上形成相當(dāng)高的電壓（U=Q/C），將管子損壞。雖然MOS輸入端有抗靜電的保護(hù)措施，但仍需小心對(duì)待，在存儲(chǔ)和運(yùn)輸中最好用金屬容器或者導(dǎo)電材料包裝，不要放在易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料或化纖織物中。組裝、調(diào)試時(shí)，工具、儀表、工作臺(tái)等均應(yīng)良好接地。要防止操作人員的靜電干擾造成的損壞，如不宜穿尼龍、化纖衣服，手或工具在接觸集成塊前最好先接一下地。對(duì)器件引線矯直彎曲或人工焊接時(shí)，使用的設(shè)備必須良好接地。

第二、MOS電路輸入端的保護(hù)二極管，其導(dǎo)通時(shí)電流容限一般為1mA，在可能出現(xiàn)過(guò)大瞬態(tài)輸入電流（超過(guò)10mA）時(shí)，應(yīng)串接輸入保護(hù)電阻。因此應(yīng)用時(shí)可選擇一個(gè)內(nèi)部有保護(hù)電阻的MOS管應(yīng)。還有由于保護(hù)電路吸收的瞬間能量有限，太大的瞬間信號(hào)和過(guò)高的靜電電壓將使保護(hù)電路失去作用。所以焊接時(shí)電烙鐵必須可靠接地，以防漏電擊穿器件輸入端，一般使用時(shí)，可斷電后利用電烙鐵的余熱進(jìn)行焊接，并先焊其接地管腳。

MOS是電壓驅(qū)動(dòng)元件，對(duì)電壓很敏感，懸空的G很容易接受外部干擾使MOS導(dǎo)通，外部干擾信號(hào)對(duì)G-S結(jié)電容充電，這個(gè)微小的 電荷可以儲(chǔ)存很長(zhǎng)時(shí)間。在試驗(yàn)中G懸空很危險(xiǎn)，很多就因?yàn)檫@樣爆管，G接個(gè)下拉電阻對(duì)地，旁路干擾信號(hào)就不會(huì)直通了，一般可以10~20K。這個(gè)電阻稱為柵極電阻，作用1：為場(chǎng)效應(yīng)管提供偏置電壓;作用2：起到瀉放電阻的作用（保護(hù)柵極G~源極S）。第一個(gè)作用好理解，這里解釋一下第二個(gè)作用的原理：保護(hù)柵極G~源極S：場(chǎng)效應(yīng)管的G-S極間的電阻值是很大的，這樣只要有少量的靜電就能使他的G-S極間的等效電容兩端產(chǎn)生很高的電壓，如果不及時(shí)把這些少量的靜電瀉放掉，他兩端的高壓就有可能使場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)生誤動(dòng)作，甚至有可能擊穿其G-S極;這時(shí)柵極與源極之間加的電阻就能把上述的靜電瀉放掉，從而起到了保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管的作用。