LDMOS功率器件的電熱效應研究.pdf

1、橫向雙擴散MOS晶體管LDMOS(Lateral Double-diffused MOS transistors)因性能、價格和易于集成等優(yōu)勢，在智能功率集成電路SPIC(Smart Power Integrated Circuits)中被廣泛應用，常作為功率開關器件。隨著微電子技術的發(fā)展，LDMOS的可靠性成為影響SPIC性能和壽命的關鍵問題之一。LDMOS器件通常在交流電條件下工作，根據脈沖個數的多少，交流電又可分為正常開關工作的多

2、脈沖和不期望的異常瞬態(tài)單脈沖。一方面，在正常開關工作過程中，LDMOS器件自身的電功耗會引起自熱現象，器件或SPIC的局部溫度會上升；另一方面，當異常的瞬態(tài)大電流或高電壓單脈沖來臨時，例如靜電放電ESD(Electro Static Discharge)或過度電應力EOS(Electro Over Stress)脈沖來臨時，若LDMOS器件自身泄放靜電的ESD能力或抗過度電應力的EOS能力過低，也會發(fā)生自熱現象，器件或SPIC的局部溫度

3、也會急劇上升。如果溫度上升過高，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重后果。另外，溫度升高也會引發(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系器件或SPIC熱安全工作和可靠性方面的重要問題。 本論文正是針對上述問題，在充分了解國內外功率器件電熱效應和靜電放電方面研究現狀的基礎上，以通常用于SPIC的40V-LDMOS器件為例，重點研究在正常開關模式(重復多脈沖)

4、和異常ESD/EOS(瞬態(tài)單脈沖)情況下工作時LDMOS器件內部的電熱效應和溫度特性，深入分析其物理機制，得到一系列的結論，這些結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。 本文的獨創(chuàng)性工作主要表現在第三章、第四章、第五章和第六章，主要內容為： 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，并對照實驗結果給予證明和分析。器件內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密切相關。當器件在多脈沖下工作時，溫度會發(fā)生周期性的“升溫、降溫、升溫”的過程，該過程可以用穩(wěn)態(tài)響應或暫態(tài)響應來描述。 2，研究LDMOS器件在交流電下工作時器件內部的最高溫度與工作頻率之間的關系，給出較低頻率和較高頻率下最高溫度的表達式。在不同頻率下，影響器件溫度的參數是不一樣的，因此為令器件

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

7、和物理機制。當器件工作在ESD大電流區(qū)時，其內部寄生NPN晶體管觸發(fā)導通，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間對漏極電壓弛豫時間的影響。電熱分析方法既可更準確預測器件的輸出特性，還可預測熱擊穿發(fā)生的位置。 4，研究柵耦合LDMOS(Gate-Coupied LDMOS)器件在正常導通期間，瞬態(tài)大電流單脈沖來臨時(如ESD脈沖)器件內部發(fā)生的電熱效應和物理機制。同柵接