LDMOS功率器件的電熱效應(yīng)研究.pdf

1、橫向雙擴(kuò)散MOS晶體管LDMOS(Lateral Double-diffused MOS transistors)因性能、價(jià)格和易于集成等優(yōu)勢(shì)，在智能功率集成電路SPIC(Smart Power Integrated Circuits)中被廣泛應(yīng)用，常作為功率開(kāi)關(guān)器件。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，LDMOS的可靠性成為影響SPIC性能和壽命的關(guān)鍵問(wèn)題之一。LDMOS器件通常在交流電條件下工作，根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)的多少，交流電又可分為正常開(kāi)關(guān)工作的多

2、脈沖和不期望的異常瞬態(tài)單脈沖。一方面，在正常開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中，LDMOS器件自身的電功耗會(huì)引起自熱現(xiàn)象，器件或SPIC的局部溫度會(huì)上升；另一方面，當(dāng)異常的瞬態(tài)大電流或高電壓?jiǎn)蚊}沖來(lái)臨時(shí)，例如靜電放電ESD(Electro Static Discharge)或過(guò)度電應(yīng)力EOS(Electro Over Stress)脈沖來(lái)臨時(shí)，若LDMOS器件自身泄放靜電的ESD能力或抗過(guò)度電應(yīng)力的EOS能力過(guò)低，也會(huì)發(fā)生自熱現(xiàn)象，器件或SPIC的局部溫度

3、也會(huì)急劇上升。如果溫度上升過(guò)高，就可能引發(fā)多晶硅或金屬連線的燒毀、器件的熱二次擊穿、甚至硅片管芯的熔化等嚴(yán)重后果。另外，溫度升高也會(huì)引發(fā)器件本身或周邊低壓電路的性能發(fā)生變化。因此，LDMOS器件的溫度特性是關(guān)系器件或SPIC熱安全工作和可靠性方面的重要問(wèn)題。 本論文正是針對(duì)上述問(wèn)題，在充分了解國(guó)內(nèi)外功率器件電熱效應(yīng)和靜電放電方面研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以通常用于SPIC的40V-LDMOS器件為例，重點(diǎn)研究在正常開(kāi)關(guān)模式(重復(fù)多脈沖)

4、和異常ESD/EOS(瞬態(tài)單脈沖)情況下工作時(shí)LDMOS器件內(nèi)部的電熱效應(yīng)和溫度特性，深入分析其物理機(jī)制，得到一系列的結(jié)論，這些結(jié)論可以為深入研究和改善功率器件的可靠性和熱安全工作區(qū)提供參考。 本文的獨(dú)創(chuàng)性工作主要表現(xiàn)在第三章、第四章、第五章和第六章，主要內(nèi)容為： 1，利用LDMOS器件的等效熱路模型得到器件在外加交流電作用下的溫度表達(dá)式，并闡述公式所描述的物理意義。在單脈沖作用下器件升溫公式的基礎(chǔ)上，本文提出單脈沖作用

5、下的降溫公式和多脈沖作用下的溫度公式，并對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果給予證明和分析。器件內(nèi)部的溫度與初始溫度、熱特性(熱阻和熱容等)、外加的電脈沖等參數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)器件在多脈沖下工作時(shí)，溫度會(huì)發(fā)生周期性的“升溫、降溫、升溫”的過(guò)程，該過(guò)程可以用穩(wěn)態(tài)響應(yīng)或暫態(tài)響應(yīng)來(lái)描述。 2，研究LDMOS器件在交流電下工作時(shí)器件內(nèi)部的最高溫度與工作頻率之間的關(guān)系，給出較低頻率和較高頻率下最高溫度的表達(dá)式。在不同頻率下，影響器件溫度的參數(shù)是不一樣的，因此為令器件

6、工作在熱安全區(qū)，需要調(diào)整和優(yōu)化的參數(shù)是隨著工作頻率而變化的。在較低頻率下工作時(shí)，最高溫度是熱阻、熱容、功耗、占空比、周期的函數(shù)；在較高頻率下工作時(shí)，器件會(huì)處于“一直升溫”狀態(tài)，此時(shí)熱阻和周期的影響作用將消失，而熱容和連續(xù)工作時(shí)間卻成為影響器件溫度的主要因素，并給出一定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以證明。 3，研究柵接地LDMOS(Gate-Grounded LDMOS)器件在關(guān)斷期間，瞬態(tài)大電流單脈沖來(lái)臨時(shí)(如ESD脈沖)器件內(nèi)部發(fā)生的電熱效應(yīng)

7、和物理機(jī)制。當(dāng)器件工作在ESD大電流區(qū)時(shí)，其內(nèi)部寄生NPN晶體管觸發(fā)導(dǎo)通，用等溫分析方法和電熱分析方法得到的輸出特性是不同的，本文給出原因分析，并分析溫度的分布和溫度弛豫時(shí)間對(duì)漏極電壓弛豫時(shí)間的影響。電熱分析方法既可更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件的輸出特性，還可預(yù)測(cè)熱擊穿發(fā)生的位置。 4，研究柵耦合LDMOS(Gate-Coupied LDMOS)器件在正常導(dǎo)通期間，瞬態(tài)大電流單脈沖來(lái)臨時(shí)(如ESD脈沖)器件內(nèi)部發(fā)生的電熱效應(yīng)和物理機(jī)制。同柵接