【新品發(fā)布】超強(qiáng)集成抗ESD型MOSFET

柵源IEC6100-4-2接觸放電大于±6kV

一、引言

MOSFET損壞的主要原因包括靜電損壞、過壓、過流、過熱和寄生振蕩等。為了預(yù)防和解決這些問題，可以采取一系列措施，包括合理設(shè)計電路、做好靜電與浪涌防護(hù)、選擇合適的MOSFET型號、加強(qiáng)散熱設(shè)計以及定期檢查和維護(hù)。

二、MOSFET簡介

MOSFET，全稱金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），是一種廣泛使用的電子器件，在現(xiàn)代電子電路中扮演著至關(guān)重要的角色。MOS管的核心結(jié)構(gòu)包括柵極（Gate, G）、源極（Source, S）和漏極（Drain, D）三個引腳。

三、MOSFET分類

在探討場效應(yīng)管（MOSFET）的分類時，我們可以將其劃分為兩大類：基于溝道類型和材料特性。

按溝道分類，場效應(yīng)管分為PMOS管（P溝道型）和NMOS管（N溝道型）。

按材料特性分類，場效應(yīng)管可以分為增強(qiáng)型MOS管和耗盡型MOS管。

增強(qiáng)型MOS管：無論是PMOS還是NMOS，當(dāng)柵極-源極電壓Vgs為零時，漏極電流均保持為零。

耗盡型MOS管：耗盡型MOSFET在Vgs為零時，漏極電流已經(jīng)存在，即溝道已經(jīng)部分或完全形成。

結(jié)合上述分類，我們可以得出四種基本的MOSFET類型：增強(qiáng)型PMOS、增強(qiáng)型NMOS、耗盡型PMOS和耗盡型NMOS。在實際應(yīng)用中，以增強(qiáng)型NMOS和增強(qiáng)型PMOS為主流。這主要是因為增強(qiáng)型MOSFET在電壓為0時，D極（漏極）和S極（源極）之間不會自然導(dǎo)通，這一特性使得電路設(shè)計更加靈活，易于控制。此外，隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，增強(qiáng)型MOSFET的制造成本逐漸降低，性能不斷提升，進(jìn)一步鞏固了其在市場中的主導(dǎo)地位。

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3.1結(jié)構(gòu)與工藝分類

VDMOS（垂直雙擴(kuò)散MOS）：

優(yōu)點(diǎn)：適用于高壓領(lǐng)域，面積較小，耐壓值高，寄生電容小，開關(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng)。

缺點(diǎn)：導(dǎo)通電阻較大，能量損耗較高；漏電流較大，影響工作效率和穩(wěn)定性。

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Trench MOS（溝槽MOS）：

優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)通電阻低，寄生電容小，開關(guān)性能優(yōu)異，適用于低壓高速場景，能耗較低。

缺點(diǎn)：無法應(yīng)用在高壓領(lǐng)域，抗沖擊能力弱，限制極端應(yīng)用。

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SGT MOS（屏蔽柵溝槽MOS）：

優(yōu)點(diǎn)：基于Trench，米勒電容較小，開關(guān)損耗較低，效率較高，適用于中低壓領(lǐng)域。

缺點(diǎn)：工藝較復(fù)雜，成本較高，不適用于成本敏感應(yīng)用。

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SJ MOS（超結(jié)MOS）：

優(yōu)點(diǎn)：超結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)阻較低，柵極電荷小，開關(guān)響應(yīng)速度快，適用于高壓領(lǐng)域。

缺點(diǎn)：防浪涌能力較弱，需要額外保護(hù)來應(yīng)對高電流沖擊。

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IGBT MOS(絕緣柵雙極型MOS)：

優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)通電阻低，效率較高，適用于高頻領(lǐng)域，易于驅(qū)動，集成度高，小空間實現(xiàn)大功率。

缺點(diǎn)：充電時間較長，器件性能易受溫度影響，制作成本復(fù)雜需要考慮經(jīng)濟(jì)性。

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SIC（碳化硅 MOS）

優(yōu)點(diǎn)：在高溫環(huán)境中性能穩(wěn)定，適用于惡劣環(huán)境，導(dǎo)通損耗低，耐壓能力高，是永遠(yuǎn)TV高壓應(yīng)用場景。

缺點(diǎn)：成本較高，材料和工藝上任存在一些問題，可靠性有待提高，技術(shù)成熟度有限，驅(qū)動電路要求較高。

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GaN （氮化鎵MOS）

優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電能力強(qiáng)，有更高的擊穿電壓和耐高溫能力，相比于其他MOS，有這更高的開關(guān)響應(yīng)速度，和更短的開關(guān)時間，由于GaN材料的原因，導(dǎo)致它導(dǎo)通電阻更低。

缺點(diǎn)：制造過程復(fù)雜，成本較高，技術(shù)成熟度有限，同時GaN材料是脆性材料，對應(yīng)力較敏感，在應(yīng)用中需要注意器械以及熱管理，以防器件失效。

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3.2 柵極源極是否集成ESD

MOS管一個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=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大電流，放電脈沖的時間常數(shù)遠(yuǎn)小于器件散熱的時間常數(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，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。判斷一款MOS管是否帶ESD功能，需要根據(jù)產(chǎn)品的電路圖來分析判斷。

帶ESD功能的MOS管電路圖如圖所示：

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不帶ESD功能的MOS管電路圖：

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在金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的設(shè)計中，采用一層薄薄的氧化物作為絕緣層，它將柵極與晶體管的核心工作區(qū)域分隔開。然而，與微處理器中的MOSFET類似，功率MOSFET的柵極氧化層也異常脆弱，極易受到靜電放電（ESD）的威脅。ESD現(xiàn)象一旦發(fā)生，可能會引發(fā)柵極氧化層的崩潰，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障，甚至僅僅是輕微的損壞也會對其性能與壽命造成影響。所以帶ESD功能的MOS管應(yīng)運(yùn)而生，他能有效的抵御靜電放電與低等級浪涌的瞬變沖擊，為MOS管提供安全可靠的工作環(huán)境。

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傳統(tǒng)集成ESD MOS管剖面結(jié)構(gòu)

3.2MOSFET集成ESD的意義

靜電擊穿是指當(dāng)電子設(shè)備表面或內(nèi)部積累了較高的靜電電荷時，當(dāng)電荷電勢達(dá)到它周圍環(huán)境所能承受的上限時，會發(fā)生放電現(xiàn)象。對于MOS管，靜電擊穿會導(dǎo)致器件的失效，甚至損壞。靜電擊穿可能會通過多種方式發(fā)生，下面將介紹幾種常見的原因:

1.靜電放電:靜電放電是導(dǎo)致MOS管靜電擊穿的主要原因之一、當(dāng)人體或相關(guān)設(shè)備表面具有大量的靜電電荷時，當(dāng)它們與MOS管接觸時，可能會發(fā)生靜電放電，導(dǎo)致器件受損。

2.高壓電源的不穩(wěn)定性:如果MOS管周圍的電源電壓不穩(wěn)定，例如電源電壓突然升高，可能會導(dǎo)致MOS管的靜電擊穿。這是因為電源電壓的突然變化可能會引起電場的不均勻分布，并導(dǎo)致局部高電場區(qū)域的形成。

3.PCB設(shè)計缺陷:設(shè)計PCB(Printed circuit Board)時，如果不合理地布局MOS管，可能會發(fā)生靜電擊穿。例如，如果MOS管的引腳距離較近，電壓差較大，并且沒有采取適當(dāng)?shù)母綦x措施，就容易發(fā)生靜電擊穿。

為避免MOS管靜電擊穿，以下是一些相關(guān)的防護(hù)措施:

1.接地:建立良好的接地系統(tǒng)是防止靜電擊穿的重要措施之一，

通過將設(shè)備或器件的外殼或引腳接，可以將靜電電荷釋放到地面，減少M(fèi)OS管受到靜電沖擊的風(fēng)險。

2.防靜電手腕帶和鞋子:在處理電子設(shè)備或器件時，使用防靜電手腕帶和鞋子非常重要。這些工具可以將人體的靜電電荷通過接地導(dǎo)線釋放，保護(hù)MOS管不受靜電沖擊。

3.防靜電包裝:在存儲或運(yùn)輸MOS管時，可以使用防靜電包裝材料，如導(dǎo)電泡沫或防靜電袋，以降低靜電沖擊的風(fēng)險。

4.PCB設(shè)計優(yōu)化:在設(shè)計PCB時，應(yīng)注意合理布局MOS管，避免引腳距離過近，并采取適當(dāng)?shù)母綦x措施，以減少靜電擊穿的可能性。

5.使用靜電解除設(shè)備:靜電解除設(shè)備可以通過釋放電磁波或多段脈沖來中和積累的靜電電荷，從而保護(hù)MOS管免受靜電沖擊。

6.使用使用柵極源極集成了ESD的MOS管，通過增強(qiáng)MOSFET健壯性來簡化系統(tǒng)靜電防護(hù)工作，但目前市場上大部分集成ESD MOSFET有很多缺點(diǎn)。針對該情況，靜芯在器件結(jié)構(gòu)與工藝進(jìn)行創(chuàng)新，推出增強(qiáng)型ESD MOSFET，為客戶提供更多選擇。

四、湖南靜芯增強(qiáng)ESD型MOSFET介紹

湖南靜芯推出超強(qiáng)抗ESD集成型MOSFET型號ES1N20AK，應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換，電源開關(guān)以及充電電路等。該器件在SOT-23-3L封裝內(nèi)集成ESD器件，使MOS管在無ESD保護(hù)的情況下GS端有IEC 6kV，HBM8 kV的靜電防護(hù)能力，和業(yè)內(nèi)競品相比，柵極漏電流與輸入電容明顯降低，防護(hù)性能顯著提高，性能提升明顯。傳統(tǒng)帶ESD MOS管，ESD 人體模型（HBM）防護(hù)能力在2kV左右，柵極漏電流IGSS在5至30uA左右，且集成ESD功能多由柵極集成串聯(lián)poly（多晶）電阻方式來解決ESD問題，原理是在柵極串聯(lián)一個比較大的電阻，造成了MOS管開關(guān)時間變長，高頻領(lǐng)域應(yīng)用受限。同時由于傳統(tǒng)集成ESD MOSFET工藝復(fù)雜，一般情況會比不帶ESD MOSFET價格高30%~40%。

與傳統(tǒng)帶ESD MOS器件相比，湖南靜芯的增強(qiáng)ESD型MOSFET系列，人體模型（HBM）防護(hù)能大于±8kV，IEC61000-4-2 Contact 標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)能力大于±6kV，柵極漏電流IGSS 典型值為1~10nA（MAX<100nA），柵極電阻與傳統(tǒng)不帶ESD MOS管一致，對MOS管的柵極性能基本沒有影響，抗靜電能力領(lǐng)先市面上傳統(tǒng)集成ESD MOSFET很多，且不影響高頻領(lǐng)域的使用。湖南靜芯提出創(chuàng)新工藝，使得公司增強(qiáng)ESD型MOSFET系列成本與常規(guī)不帶ESD MOS成本非常接近，為客戶提供了高性價、高靜電能力的MOSFET新選擇。????

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4.1靜芯集成ESD MOSFET與傳統(tǒng)集成ESD MOSFET參數(shù)對比：

ES1N20AK N型200VMOSFET，IGSS低至±100nA，ESD防護(hù)能力人體模型（HBM）>±8kV，61000-4-2（IEC）>±6kV，相較于市面上的同類型防護(hù)器件，在同等的測試環(huán)境中，擁有更低的IGSS柵極漏電流，更高的ESD防護(hù)能力以及更低的輸入輸出電容。ES1N20AK與市場上傳統(tǒng)集成ESD MOSFET產(chǎn)品規(guī)格書參數(shù)對比如圖所示：

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ES1N20AK與市場上同類型傳統(tǒng)集成ESD MOSFET產(chǎn)品的實測數(shù)據(jù)對比如圖所示：

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ES1N20AK帶ESD MOS管電氣參數(shù)表：