【新品發布】超強集成抗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。為了預防和解決這些問題，可以采取一系列措施，包括合理設計電路、做好靜電與浪涌防護、選擇合適的MOSFET型號、加強散熱設計以及定期檢查和維護。

二、MOSFET簡介

MOSFET，全稱金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），是一種廣泛使用的電子器件，在現代電子電路中扮演著至關重要的角色。MOS管的核心結構包括柵極（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，場效應管可以分為增強型MOS管和耗盡型MOS管。

增強型MOS管：無論是PMOS還是NMOS，當柵極-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，漏極電流已經存在，即溝道已經部分或完全形成。

結合上述分類，我們可以得出四種基本的MOSFET類型：增強型PMOS、增強型NMOS、耗盡型PMOS和耗盡型NMOS。在實際應用中，以增強型NMOS和增強型PMOS為主流。這主要是因為增強型MOSFET在電壓為0時，D極（漏極）和S極（源極）之間不會自然導通，這一特性使得電路設計更加靈活，易于控制。此外，隨著半導體工藝的發展，增強型MOSFET的制造成本逐漸降低，性能不斷提升，進一步鞏固了其在市場中的主導地位。

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3.1結構與工藝分類

VDMOS（垂直雙擴散MOS）：

優點：適用于高壓領域，面積較小，耐壓值高，寄生電容小，開關速度快，抗干擾能力強。

缺點：導通電阻較大，能量損耗較高；漏電流較大，影響工作效率和穩定性。

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Trench MOS（溝槽MOS）：

優點：導通電阻低，寄生電容小，開關性能優異，適用于低壓高速場景，能耗較低。

缺點：無法應用在高壓領域，抗沖擊能力弱，限制極端應用。

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SGT MOS（屏蔽柵溝槽MOS）：

優點：基于Trench，米勒電容較小，開關損耗較低，效率較高，適用于中低壓領域。

缺點：工藝較復雜，成本較高，不適用于成本敏感應用。

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SJ MOS（超結MOS）：

優點：超結結構內阻較低，柵極電荷小，開關響應速度快，適用于高壓領域。

缺點：防浪涌能力較弱，需要額外保護來應對高電流沖擊。

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IGBT MOS(絕緣柵雙極型MOS)：

優點：導通電阻低，效率較高，適用于高頻領域，易于驅動，集成度高，小空間實現大功率。

缺點：充電時間較長，器件性能易受溫度影響，制作成本復雜需要考慮經濟性。

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SIC（碳化硅 MOS）

優點：在高溫環境中性能穩定，適用于惡劣環境，導通損耗低，耐壓能力高，是永遠TV高壓應用場景。

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

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GaN （氮化鎵MOS）

優點：導電能力強，有更高的擊穿電壓和耐高溫能力，相比于其他MOS，有這更高的開關響應速度，和更短的開關時間，由于GaN材料的原因，導致它導通電阻更低。

缺點：制造過程復雜，成本較高，技術成熟度有限，同時GaN材料是脆性材料，對應力較敏感，在應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而帶電(少量電荷就可能在極間電容上形成相當高的電壓(想想U=Q/C)將管子損壞)又因在靜電較強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遠小于器件散熱的時間常數。因此，當靜電放電電流通過面積很小的pn結或肖特基結時，將產生很大的瞬間功率密度，形成局部過熱，有可能使局部結溫達到甚至超過材料的本征溫度(如硅的熔點1415℃)，使結區局部或多處熔化導致pn結短路，器件徹底失效。這種失效的發生與否，主要取決于器件內部區域的功率密度，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，需要根據產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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在金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的設計中，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現象一旦發生，可能會引發柵極氧化層的崩潰，導致設備出現嚴重故障，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管應運而生，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境。

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傳統集成ESD MOS管剖面結構

3.2MOSFET集成ESD的意義

靜電擊穿是指當電子設備表面或內部積累了較高的靜電電荷時，當電荷電勢達到它周圍環境所能承受的上限時，會發生放電現象。對于MOS管，靜電擊穿會導致器件的失效，甚至損壞。靜電擊穿可能會通過多種方式發生，下面將介紹幾種常見的原因:

1.靜電放電:靜電放電是導致MOS管靜電擊穿的主要原因之一、當人體或相關設備表面具有大量的靜電電荷時，當它們與MOS管接觸時，可能會發生靜電放電，導致器件受損。

2.高壓電源的不穩定性:如果MOS管周圍的電源電壓不穩定，例如電源電壓突然升高，可能會導致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，并導致局部高電場區域的形成。

3.PCB設計缺陷:設計PCB(Printed circuit Board)時，如果不合理地布局MOS管，可能會發生靜電擊穿。例如，如果MOS管的引腳距離較近，電壓差較大，并且沒有采取適當的隔離措施，就容易發生靜電擊穿。

為避免MOS管靜電擊穿，以下是一些相關的防護措施:

1.接地:建立良好的接地系統是防止靜電擊穿的重要措施之一，

通過將設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MOS管受到靜電沖擊的風險。

2.防靜電手腕帶和鞋子:在處理電子設備或器件時，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線釋放，保護MOS管不受靜電沖擊。

3.防靜電包裝:在存儲或運輸MOS管時，可以使用防靜電包裝材料，如導電泡沫或防靜電袋，以降低靜電沖擊的風險。

4.PCB設計優化:在設計PCB時，應注意合理布局MOS管，避免引腳距離過近，并采取適當的隔離措施，以減少靜電擊穿的可能性。

5.使用靜電解除設備:靜電解除設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MOSFET健壯性來簡化系統靜電防護工作，但目前市場上大部分集成ESD MOSFET有很多缺點。針對該情況，靜芯在器件結構與工藝進行創新，推出增強型ESD MOSFET，為客戶提供更多選擇。

四、湖南靜芯增強ESD型MOSFET介紹

湖南靜芯推出超強抗ESD集成型MOSFET型號ES1N20AK，應用于DC-DC轉換，電源開關以及充電電路等。該器件在SOT-23-3L封裝內集成ESD器件，使MOS管在無ESD保護的情況下GS端有IEC 6kV，HBM8 kV的靜電防護能力，和業內競品相比，柵極漏電流與輸入電容明顯降低，防護性能顯著提高，性能提升明顯。傳統帶ESD MOS管，ESD 人體模型（HBM）防護能力在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poly（多晶）電阻方式來解決ESD問題，原理是在柵極串聯一個比較大的電阻，造成了MOS管開關時間變長，高頻領域應用受限。同時由于傳統集成ESD MOSFET工藝復雜，一般情況會比不帶ESD MOSFET價格高30%~40%。

與傳統帶ESD MOS器件相比，湖南靜芯的增強ESD型MOSFET系列，人體模型（HBM）防護能大于±8kV，IEC61000-4-2 Contact 標準防護能力大于±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，抗靜電能力領先市面上傳統集成ESD MOSFET很多，且不影響高頻領域的使用。湖南靜芯提出創新工藝，使得公司增強ESD型MOSFET系列成本與常規不帶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與傳統集成ESD MOSFET參數對比：

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

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ES1N20AK與市場上同類型傳統集成ESD MOSFET產品的實測數據對比如圖所示：

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ES1N20AK帶ESD MOS管電氣參數表：