(四)MOSFET及其IC的热载流子失效
MOSFET失效原因深度分析，附：失效预防措施
MOSFET失效原因深度分析，附：失效预防措施作为开关电源工程师，会经常碰到电源板上MOSFET无法正常工作，首先，要正确测试判断MOSFET是否失效，然后关键是要找到失效背后的原因，并避免再犯同样的错误，本文整理了常见的MOSFET 失效的几大原因，以及如何避免失效的具体措施。
用万用表简单检测MOS管是否完好测试MOS好坏用指针式万用表方便点，测试时选择欧姆R×10K 档，这时电压可达10.5V，红笔是负电位，黑笔是正电位。
测试步骤：MOS管的检测主要是判断MOS管漏电、短路、断路、放大。
其步骤如下：1、把红笔接到MOS的源极S上，黑笔接到MOS管的漏极上，好的表针指示应该是无穷大。
如果有阻值没被测MOS管有漏电现象。
2、用一只100KΩ－200KΩ的电阻连在栅极和源极上，然后把红笔接到MOS的源极S上，黑笔接到MOS管的漏极上，这时表针指示的值一般是0，这时是下电荷通过这个电阻对MOS管的栅极充电，产生栅极电场，由于电场产生导致导电沟道致使漏极和源极导通，故万用表指针偏转，偏转的角度大，放电性越好。
3、把连接栅极和源极的电阻移开，万用表红黑笔不变，如果移开电阻后表针慢慢逐步退回到高阻或无穷大，则MOS管漏电，不变则完好。
4、然后一根导线把MOS管的栅极和源极连接起来，如果指针立即返回无穷大，则MOS完好。
----------------------------MOSFET失效的六大原因1：雪崩失效（电压失效），也就是我们常说的漏源间的BVdss电压超过MOSFET的额定电压，并且超过达到了一定的能力从而导致MOSFET失效。
2：SOA失效（电流失效），既超出MOSFET安全工作区引起失效，分为Id超出器件规格失效以及Id过大，损耗过高器件长时间热积累而导致的失效。
3：体二极管失效：在桥式、LLC等有用到体二极管进行续流的拓扑结构中，由于体二极管遭受破坏而导致的失效。
4：谐振失效：在并联使用的过程中，栅极及电路寄生参数导致震荡引起的失效。
mos管热载流子效应
热载流子效应是MOS管中一种重要的失效机制。
当沟道长度减小，同时保持电源电压不变，沟道区靠近漏端附近的最大电场增加。
随着载流子从源向漏移动，它们在漏端高电场区将得到足够的动能，引起碰撞电离，一些载流子甚至能克服Si-Si02界面势垒进入氧化层，这些高能载流子不再保持它们在晶格中的热平衡状态，并且具高于热能的能量，因此称它们为热载流子。
对于正常工作中的MOSFET，沟道中的热载流子引起的效应称为热载流子效应。
当发生碰撞时，热载流子将通过电离产生次级电子一空穴对，其中电子形成了从漏到源的电流，碰撞产生的次级空穴将漂移到衬底区形成衬底电流Ib。
通过测量Ib可以很好地监控沟道热载流子和漏区电场的情况。
由于Si-Si02的界面势垒较高，注入到栅氧化层中的热载流子与碰撞电离产生的热载流子相比非常少，因此栅电流比衬底电流要低几个数量级。
mosfet失效模式
mosfet失效模式MOSFET失效模式MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常见的功率开关器件，广泛应用于电子设备和电路中。
然而，由于使用环境、工作条件、电路设计等因素，MOSFET可能会出现失效的情况。
本文将探讨MOSFET的失效模式及其原因。
1. 功率失效MOSFET在工作期间会受到电流和电压的作用，如果超过了其额定值，就会导致功率失效。
这可能是由于过电压、过电流或过热等原因引起的。
过电压会导致MOSFET的击穿，破坏其绝缘层，使其失效。
过电流会导致MOSFET内部的电流密度过大，导致器件过热甚至烧毁。
2. 静电失效静电是电子设备中常见的敌人之一。
当静电放电到MOSFET时，会产生高电压冲击，导致MOSFET的栅极-源极或栅极-漏极结构受损，甚至击穿。
因此，在MOSFET的使用和维护过程中，需要注意防止静电的积累和放电。
3. 温度失效MOSFET的工作温度范围一般在-55℃到150℃之间，超出这个范围可能导致器件失效。
高温会导致MOSFET内部结构的热膨胀，可能破坏金属氧化物层或导致材料的迁移，从而影响器件的性能和可靠性。
此外，温度还会影响MOSFET的导通特性和开关速度，超过一定温度范围可能导致MOSFET无法正常工作。
4. 电压失效MOSFET的工作电压一般由其栅极-源极电压和栅极-漏极电压决定。
如果电压超过了MOSFET的额定电压，就会导致电压失效。
过高的电压可能会导致栅极-源极或栅极-漏极结构的击穿，损坏绝缘层，从而导致器件失效。
5. 电磁失效电磁干扰是指来自外部电磁场的干扰信号，可能会对MOSFET的性能和可靠性造成负面影响。
这些干扰信号可能来自电源线、电磁波辐射、电磁感应等。
电磁干扰可能导致MOSFET内部结构的损坏或电流传输的不稳定，进而导致器件失效。
为了避免MOSFET失效，可以采取以下措施：1. 使用符合规范的电源和电路设计，确保MOSFET的工作电压和电流不超过其额定值。
MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)的失效原因分析
182丨电力系统装备 2021.3
电力3期.indd 182
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电力系统装备
Electric Power System Equipment
电子并形成了一个从漏极到源极的 N 型导电沟道，当 VGS 大 于管子的开启电压时，N 沟道管开始导通，形成漏极电流 ID。 这个开始形成沟道时的栅 - 源电压称为开启电压，用 VGS（th） 表示。控制栅源电压 VGS 的大小改变了电场的强弱，就可以 达到控制漏极电流 ID 的大小的目的，这是 MOSFET 管用电 场来控制电流的一个重要特点。
增 强 型 MOSFET 管 的 漏 极 D 和 源 极 S 之 间 有 2 个 背 靠 背的 PN 结，当栅 - 源电压 VGS=0 时，即使加上漏 - 源电压 VDS，总有一个 PN 结处于反偏状态，漏 - 源极间没有导电沟 道（没有电流流过），所以这时漏极电流 ID=0。
对于 N 沟道 MOSFET 管，若在栅 - 源极间加上正向电压， 则栅极和硅衬底之间的 SiO2 绝缘层中便产生一个栅极指向 P 型硅衬底的电场，由于氧化层是绝缘的，栅极所加电压 VGS 无法形成电流，氧化层的两边就形成了一个电容，VGS 等效 是对这个电容充电，并形成一个电场，随之 VGS 逐渐升高， 受栅极正电压的吸引，在这个电容的另一边，就聚集大量的
因素共同作用导致了印制板的“漏电”，即非连通性阻抗下降。
通常 PCB 厂家根据自身制程能力及风险承受能力制定 CAF 等级标准 ：
（1）A 级——极度风险（孔间隙 15 mil 以下） （2）B 级——高度风险（孔间隙 15-25 mil） （3）C 级——有风险（25-33 mil）
MOS管失效原因分析
MOS管失效原因分析MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)管是一种非常常见的半导体器件，广泛用于各种电子设备中，包括计算机、通信设备、功放器等。
然而，MOS管也会存在失效的可能，导致器件无法正常工作。
以下是MOS管失效的原因分析。
1.偏压过大：MOS管通常都有额定的最大偏压，如果超过了这个值，就容易导致MOS管失效。
偏压过大会导致MOS管内部的绝缘层电场过高，破坏绝缘层的结构，导致绝缘性能下降或短路。
2.热失效：MOS管在工作过程中会产生热量，如果散热不良或工作温度过高，会导致MOS管失效。
热失效通常表现为器件功耗增加、导通能力下降、电流漏泄等现象。
3.电压过大或过小：超过MOS管规定的最大工作电压或最小工作电压，都会对MOS管产生不良影响。
过大的电压会造成击穿现象，破坏器件内部结构；而过小的电压则可能导致MOS管无法在正常工作区域。
4.电气应力：电气应力包括电流冲击、电压冲击等。
电流冲击指的是电流突然变化，如开关操作时的电流冲击；电压冲击则是电压突然变化，如电源电压突然上升或下降。
这些电气应力都会对MOS管产生剧烈的冲击，导致器件结构破坏。
5.电气静电放电：静电放电是指由于静电累积导致的放电现象。
如果MOS管在处理过程中没有正确防护措施，静电放电可能对MOS管造成永久性损坏。
6.湿气和化学污染：MOS管的绝缘层对湿气和化学物质相当敏感。
如果环境中存在湿气或化学污染物较多，这些物质可能渗入器件内部，与其结构和材料发生反应，导致永久性损坏。
7.机械应力：MOS管在运输、安装或使用过程中可能受到机械应力的影响。
如果受力过大，可能会导致MOS管结构破坏或接触不良，进而导致失效。
8.元件老化：长期使用的MOS管可能会经历一定程度的老化，导致器件性能下降或失效。
老化问题通常表现为电阻增加、电容减小、电流漏泄等现象。
以上是常见的MOS管失效原因分析。
为了避免以上问题，需要在设计和使用MOS管时采取适当的措施，包括正确选择工作条件、防护措施、散热设计、防止静电放电等。
mos管热载流子效应
mos管热载流子效应薄膜场效应管（MOS管）是一种常见的半导体器件，广泛应用于集成电路中。
MOS管热载流子效应是指在MOS管中由于高温引起电子和空穴的非平衡分布，进而影响电流的传输和器件性能。
本文将详细介绍MOS管热载流子效应的机理、影响因素以及相关应对措施。
一、热载流子效应的机理MOS管的电流传输是通过电子和空穴的输运来实现的。
当MOS管工作在高温环境下时，由于材料的热激发作用，电子和空穴在载流子浓度、速度和能量等方面会发生变化，从而产生热载流子效应。
具体来说，高温下电子和空穴的能量增加，使得电子和空穴的输运速度增加，导致电流的增加。
此外，高温还会引起材料的晶格振动增强，增加了散射效应，限制了电子和空穴的输运能力。
二、热载流子效应的影响因素热载流子效应的强度受到多个因素的影响，包括温度、电场强度以及材料的载流子迁移率等。
首先，温度是影响热载流子效应的主要因素。
随着温度的升高，材料中载流子的热激发增加，导致热载流子效应加剧。
其次，电场强度也会影响热载流子效应的程度。
当电场强度增加时，电子和空穴的输运速度增加，进一步增强了热载流子效应。
最后，材料的载流子迁移率也会对热载流子效应产生影响。
载流子迁移率越大，热载流子效应的影响越小。
三、热载流子效应的应对措施为了减小热载流子效应对MOS管性能的影响，可以采取以下措施。
首先，降低工作温度是一个有效的方法。
通过控制工作环境的温度，可以减少热载流子的产生，降低热载流子效应的强度。
其次，优化电场分布是减小热载流子效应的重要策略。
通过调整MOS管的结构和电场分布，可以降低电子和空穴的输运速度，减弱热载流子效应。
此外，改善材料的载流子迁移率也是一种有效的途径。
选择具有高迁移率的材料，可以降低载流子的热激发程度，减小热载流子效应。
综上所述，MOS管热载流子效应是MOS管中常见的一种现象，其机理是由于高温引起电子和空穴的非平衡分布而产生的。
热载流子效应的强度受到温度、电场强度以及材料的载流子迁移率等因素的影响。
MOS管失效原因分析
MOS管失效原因分析MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是一种常见的半导体器件，广泛应用于电子设备中。
然而，MOS管也会出现失效的情况，影响设备的正常功能。
针对MOS管失效的原因进行分析，可以更好地理解其失效机理，并采取相应的预防措施。
以下是一些常见的MOS管失效原因分析。
1.电压过高：MOS管的工作电压范围是有限的。
如果超过了其额定电压，可能会导致MOS管失效。
这可能是由于设计或操作错误引起的，如电压过大、尖峰电压、电压过渡等。
此外，静电放电也可能导致电压过高，从而导致MOS管失效。
2.电流过大：如果MOS管的电流超过其设计参数，可能会引起过热和烧毁。
这可能是由输入信号过大、输出负载过重、过电流冲击等引起的。
过大的电流会造成MOS管内部结构破坏、电路过载、过热等问题，从而导致失效。
3.静电放电：静电放电是一种非常常见的MOS管失效原因。
静电放电会导致瞬时电流和电压突变，从而损坏MOS管。
静电放电主要是由于人为操作不当、工作环境不受控制等引起的。
通过正确的防静电措施和合适的操作流程，可以预防静电放电。
4.温度过高：过高的温度是导致MOS管失效的主要原因之一、高温会影响MOS管内部结构和材料的性能，导致晶粒滑移、材料疲劳、电路局部击穿等问题。
特别是在长时间高温工况下，MOS管容易失效。
因此，在设计和使用MOS管时，要合理控制工作温度，并采取散热措施。
5.氧化层损伤：MOS管的关键结构是氧化层。
如果氧化层损伤，会导致漏电流增加、介质击穿等问题，从而引起MOS管失效。
氧化层损伤可能是由于制造工艺不当、环境污染、介质老化等原因引起的。
为了防止氧化层损伤，应注意制造工艺的控制和环境的清洁。
6.结温过高：结温是MOS管内部结构最高温度。
如果结温过高，会引起电路中的热效应，使MOS管无法正常工作。
结温过高可能是由于电源过大、过大的工作电流、散热不良等引起的。
（二）半导体集成电路的失效机理及其预防措施
（二）半导体集成电路的失效机理及其预防措施半导体集成电路的失效机理及其预防措施半导体集成电路的失效机理及其预防措施（（小结小结））Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)因为集成电路是由许多元器件组成的，所以其中元器件的失效必然会导致集成电路的失效，然而引起半导体集成电路（IC ）失效的机理尚不仅如此，实际上还要复杂得多，有关系到设计方面的，也有关系到工艺方面的。
与集成电路设计密切相关的、能够做到部分或者完全避免的一些失效机理，主要有如下11种。
（1）静电放电静电放电（（ESD ）：IC 端头上积累的静电电荷可以产生很高的电压，从而会引起p-n 结击穿（造成短路或者大的漏电流）、或者使栅氧化层马上击穿或经过一段时间以后穿通。
为了防止静电放电所引起的失效，首先，在多数管脚上需要设置抗ESD 的保护器件；但连接到衬底的管脚、或者连接到大面积扩散区上的管脚（例如与npn 晶体管集电极相连的管脚），则不需要加保护器件。
其次，对于采用薄发射极氧化物工艺的BJT ，与管脚相连的内引线不能在薄的发射极氧化层上走线（穿越），否则可能引起薄发射极氧化层的击穿；不过对于采用较厚发射极氧化物的标准双极工艺而言，就不必考虑这种限制。
此外，在使用IC 时也要特别注意防止静电的产生和积累，如采用静电屏蔽，腕带、电烙铁和工作台要接地，室内要保持一定的湿度等。
（2）电迁移电迁移：：IC 在大电流、高温下、长时间工作之后，就有可能产生电迁移失效，即出现金属电极连线发生断裂（开路）或者短路的现象。
防止电迁移的根本措施就是限制通过连线的最大电流（这与金属成分、厚度和温度有关）。
对于不穿越氧化层的导线，单位宽度上的电流一般要小于2mA/μm ；而对于穿越氧化层的导线，一般要小于1mA/μm 。
金属层的厚度和宽度越大，则抗电迁移的能力就越强。
另外，改进电迁移的主要措施有如：在电极金属Al 中掺入原子质量较大的Cu （0.5%～4%），这可使大电流承受能力提高5～10倍；采用耐热性好的势垒金属等。
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MOSFET 及其IC 的失效的失效——————热载流子效应热载流子效应
Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)
对于MOSFET 及其IC ，在高温偏置条件下工作时，有可能发生阈值电压的漂移；但若在没有偏置的情况下再进行烘烤（200～250o C ）几个小时之后，即可部分或者全部恢复原来的性能；不过若再加上电压工作时，性能又会产生变化。
这就是热载流子效应所造成的一种失效现象。
（1）热载流子热载流子及其及其及其效应效应效应：：
在小尺寸MOSFET 中，不大的源-漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场；特别是，当MOSFET 工作于电流饱和的放大状态时，沟道在漏极附近处被夹断（耗尽），其中存在强电场；随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区中的电场更强。
这时，通过夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应。
由于热载流子具有很大的动能和漂移速度，则在半导体中通过碰撞电离可产生出大量次级的电子-空穴对——次级热载流子；其中的电子（也包括原始电子）将流入漏极而形成输出源-漏电流（I DS ），而产生出的次级空穴将流入衬底而形成衬底电流（I sub ），如图1所示。
通过测量I sub 就可以得知沟道热电子和漏区电场的情况。
若夹断区中的一些热载流子与声子发生碰撞、得到了指向栅氧化层的动量，那么这些热载流子就有可能注入到栅氧化层中；进入到栅氧化层中的一部分热载流子，还有可能被陷于氧化层中的缺陷处，并变成为固定的栅氧化层电荷，从而引起阈值电压漂移和整个电路性能的变化。
对于发生了热载流子注入的器件，若进行烘烤的话，即可提供足够的能量，让那些被氧化层中的陷阱（缺陷）陷住的热载流子释放出来而回到硅中，从而使得器件又恢复到原来无热载流子的状态。
据此也可以判断是否热载流子效应所引起的失效。
（2）热载流子引起MOSFET 性能的退化性能的退化：：
热载流子对器件和IC 所造成的影响主要表现在以下两个方面。
① 产生寄生晶体管效应。
当有较大的I sub 流过衬底（衬底电阻为R sub ）时将产生电压降（Isub×Rsub ），这会使源-衬底的n+-p 结正偏（因为源极通常是接地的），从而形成一个“源-衬底-漏”的寄生n+-p-n+晶体管；这个寄生晶体管与原来的MOSFET 相并联而构成一个复合结构的器件，这种复合结构往往是导致短沟道MOSFET 发生源-漏击穿的原因，并且还会使伏安特性曲线出现回滞现象，在CMOS 电路中还将会导致闩锁效应。
为了提高短沟道MOSFET 的源-漏击穿电压及其可靠性，就应当设法不让与热载流子有关的寄生晶体管起作用。
因此，就需要减小衬底电阻R sub ，以使得乘积(I sub ×R sub )<0.6V ，这图1 n-MOSFET 的热电子效应
样一来寄生晶体管就不能导通工作了。
② 产生热载流子退化。
沟道中有一小部分具有足够高能量的热载流子可以越过Si/SiO 2界面的势垒（电子势垒高度E b 约为3.2eV ，空穴的约为4.9eV ）而注入到栅SiO 2层中，并多数形成了栅极电流I G 。
虽然此栅极电流很小，但是它所造成的后果却很严重，因为热电子注入到栅SiO2层中将会引起界面陷阱积蓄电荷，经过一段时间的电荷积累即会使得器件性能发生退化（阈值电压漂移、跨导降低和亚阈值斜率增大，甚至栅氧化层击穿），这将危及到小尺寸MOSFET 及其VLSI 的可靠性（详见“（六）MOSFET 栅氧化层的性能退化”）。
可见，MOS 器件性能的退化主要是与较小的栅极电流I G 有关，而与比它大几个数量级的衬底电流I sub 无关。
（3）对MOSFET 热载流子热载流子退化退化退化寿命寿命寿命的评估的评估的评估：：
虽然MOS 器件由于热载流子效应而发生的性能退化与衬底电流I b 无关，但却可以通过检测此衬底电流来了解有关器件性能因热电子而产生退化的状况，因为衬底电流与栅极电流和源-漏电流都存在一定的关系。
由于热电子效应所导致MOSFET 性能的退化过程，可能与打断Si/SiO 2界面上的Si-H 键有关，或者说与界面陷阱（密度为N it ）的形成有关。
这种性能的退化很类似于热氧化速率的过程，则从这种概念出发，即可得到MOSFET 的寿命。
为了通过测量来得到失效时间t ，以研究热载流子退化的作用机理。
可以在高于正常偏置条件下来进行应力测量（可用衬底电流和监测时间来代表应力的积累），即在衬底电流最大时让器件持续工作、并观察作为失效标志的性能参数变化；例如观察阈值电压，当阈值电压变化超过一定值（譬如10mV ）时，即认为已失效，由此器件持续正常工作的时间即可得知失效时间，并可推算出器件的寿命。
（4）改善器件热载流子退化特性的措施改善器件热载流子退化特性的措施：：
为了提高器件的稳定性和可靠性，如何削弱或消除热电子效应的影响是一个很重要的问题。
根据以上的讨论得知，为了防止热载流子效应，主要是减弱MOSFET 夹断区中的电场。
而为了避免寄生晶体管效应，还可以适当地降低衬底电阻。
总之，为了改善MOSFET 的热电子退化性能，可以采取的措施有如：
①提高栅绝缘层的质量，否则热电子退化效应将限制着器件往深亚微米的缩小。
②合理设计漏极区结构（让漏极区也承受一部分电压），这就发展出所谓轻掺杂漏极区结构（LDD ，lighth doped drain ），如图2所示。
LDD 结构即是在有效沟道和漏极区之间增加一个高阻区（n-区，掺杂浓度约为1018cm -3），使得漏极区附近夹断区的耗尽层展宽，以减弱该处的电场。
实际上，大多数VLSI 中的MOSFET 都采用了这种结构；不过这种LDD 结构对于很小尺寸的MOSFET 在工艺上比较难以控制。
③适当地增大沟道长度或者限制源-漏电压，以避免强电场产生。
但这些措施有时候难以实现。
④适当采用p-MOSFET 。
因为Si 中空穴的电离率较小，空穴的氧化层界面势垒也较高，则热载流子效应对于p-MOSFET 较不容易发生（例如3µm 的器件，n-MOSFET 在10V 时即产生热电子；而p-MOSFET 在20V 时也不会产生热空穴）。
一般，对L>0.5mm 的p-MOSFET ，热电子退化不严重；但是对L<0.5mm 的p-MOSFET ，则仍必须考虑热电子退化问题。
⑤适当选取最高源-漏电压V DSmax ，因为在不同的沟道长度L 和不同的V DSmax 时，热电子作用的机理不同，如图3所示。
最后需要指出，对于开关工作的MOSFET ，因为要么没有沟道（关态）、要么沟道完全导通（开态），故一般不容易产生热载流子效应，只是在开态与关态之间转换的过程中才有可能发生。
因此开关MOSFET 的抗热载流子效应能力较强一些。
不过，值得注意的是MOSFET 在关断状态时的泄漏电流也与栅氧化层质量有关。
因为
栅极与漏极的交叠区将形成一个栅控MOS二极管。
对于氧化层很薄的突变结，在某种偏置条件下该二极管会发生雪崩倍增，并产生从漏极p-n结流到衬底的泄漏电流；栅控MOS二
栅极感应漏极的泄漏电流（GIDL）。
在一定的源-漏电压下，极管的这种雪崩电流称为栅极感应漏极的泄漏电流
栅极感应漏极的泄漏电流
n-MOSFET的沟道电流将随着栅极电压的减小而降低（最后进入亚阈区）；则在某些栅极电压下，漏极电流将会变成为GIDL电流。
在短沟道器件中，当处于关断状态（即栅极电压为0）时，GIDL电流即是主要的截止电流成分。
图2 MOSFET的LDD结构
图3 不同的热载流子作用机理。