MOS管毫歐級導通電阻測試方法

文/秦國林 許娟 蔡建榮 楊勇 劉星宇

1 引言

MOS管是金屬-氧化物-半導體場效晶體管簡稱MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），它是一種典型的半導體功率器件，主要用于放大電路、開關電路、電源控制和電源轉換電路等重要領域。半導體廠家設計了眾多規格的MOS管以滿足各種不同應用的需求，其導通電阻從幾毫歐到數百歐，漏源極擊穿電壓的范圍從幾伏到上千伏，最大漏極耗散功率從幾瓦到幾百瓦，隨著半導體工藝技術的不斷發展，MOS管的性能不斷提升。當MOS管作為開關管使用時，擊穿電壓越來越高，導通電阻越來越小，很多產品的導通電阻已經在毫歐級的數量級（稱為低導通電阻MOS管），對于產品使用非常有利，大大降低了MOS管的功耗，可以通過更大的工作電流，也提高了電路的轉換效率。

2 測試現狀和問題

隨著MOS管的大量使用，具體應用中選取的MOS管的導通電阻越來越小，已進入毫歐級范圍，而導通電阻作為MOS管最為關鍵的參數之一，直接影響到該器件的使用和判斷。對于這種毫歐級導通電阻，由于受測試方法和外界干擾等因素影響，往往造成測試結果的不準確，有時候甚至是錯誤的結果，因此導通電阻的準確測量成為MOS管測試的重點。

本測試方法的研究不在于關注儀器自身的測試精度問題，好的儀器測試精度已經可以到達μΩ級，而在實際的應用性測試中，往往由于測試方法不準確，造成測試結果嚴重偏離器件的實際值，無法發揮測試儀器的高精度優勢，我們希望運用現有的設備儀器，尋找并建立更適當的測試方法。希望通過本研究，能對毫歐級導通電阻MOS管的測試起到一定的指導作用，從而能對MOS管性能有更準確的的判斷。

3 MOS管導通電阻測試原理

3.1 MOS基本原理、技術性能參數

MOS管按照柵極的功能可分為增強型和耗盡型，按照溝道的材料類型可分為P溝道或N溝道，兩種組合起來共四種類型，一般主要應用的是增強型的NMOS管和增強型的PMOS管，與傳統的晶體管相比，MOS管具有開關速度快、輸入阻抗高、安全工作區大、熱穩定性好等優點。

MOS管的主要電參數有：

VDS（BR）：漏源極擊穿電壓；

RDS（on）：MOS管導通時漏源之間的電阻；

ID：最大漏極工作電流；

PD：最大漏極耗散功率。

3.2 導通電阻的測試原理

MOS管是電壓控制電流型器件，對于導通電阻測試，在漏極和源極之間加電源電壓VDS，在柵極和源極之間加上控制電壓VGS，由VGS控制源級(S)和漏極(D)之間的電流ID，而MOS管作為開關管應用，導通后其漏源導通特性呈純阻性，如圖1所示；在飽和導通后漏源之間等同于存在一個阻值極小的電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降、流過的電流符合歐姆定律的關系，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。MOS管電參數的測試可以通過自動測試設備ATE（Automatic Test Equipment）完成，我們使用的是西安佰仁科技生產的BR3500靜態參數測試系統進行測試，對于導通電阻的測試，通常是直接用測試夾具夾在被測試引腳的兩端，或通過轉接座將被測試器件固定，再根據MOS管的電參數測試項目和測試條件，編寫測試儀的加壓測流、加流測壓等測試控制程序，并根據預設好的參數測試流程目對每一項進行測試。

4 測試關鍵技術解決方法

由于原先使用測試夾具對電路進行裝夾測試，雖然測試的時候方便，但是由于夾具和電路引腳的接觸不能保證緊密接觸，造成測試的時候接觸電阻很大，特別是被測器件非常小沒有適合夾具，并且流過器件的電流較大的時候，這時往往無法準確的測試到真實的導通電阻值，經過研究和摸底測試，我們找到兩種對應的測試解決方法。第一種為間接測試方法，第二種為直接測試方法，用以最大限度的減小測試時的各種干擾電阻帶來的誤差。

圖1：MOS管導通電阻的測試電路圖和等效電路圖

圖2：導通電阻測量步驟圖

圖3：開爾文測試方法

4.1 間接測試法

間接測試法是采用類似于系統校準的方式，通過兩次測試將外部干擾因素測出后減掉。對于封裝較小無法直接測試導通電阻的器件，或需要另外加測試夾具測試的器件，首先需制作出具體器件對應的安裝測試PCB板，先不組裝被測試的器件，而是用銅短路線將測試板上的D端和S端短接，用加壓測流的方式單獨測試出引線電阻、測試夾具、接觸電阻的共同組成的外圍電阻R0，再將器件組裝在測試板上，測試出被測器件和所有外圍電阻一起的阻值R1，兩者相減，從而得出器件本身的導通電阻值，示意圖如圖2所示。

導通電阻測試方法：在被測器件上施加規定的導通電流ID，采用BR3500型分立器件靜態參數測試系統，測出導通壓降VDS(on)，并通過如下公式計算出電阻R0和R1：

R0或R1=VDS(on)/ID

RDS(on)=R1-R0

式中：R0-用銅短路線測試的導通電阻阻值（mΩ）

R1-器件組裝在測試板上時測試的導通電阻阻值（mΩ）

表1

表2

VDS(on)-器件的導通壓降（mV）

ID-器件的工作電流（A）

RDS(on)-被測器件的實際導通電阻值（mΩ）

4.2 間接測試法測試結果

我們選取的試驗用MOS管樣品的導通電阻都在歐姆級以下，而且為了保證選取的代表性，我們選用了三種導通電阻典型值較小的MOS管（SI7818-110mΩ、STL22NF-52mΩ、SI7164DP-5.0mΩ）進行測試。我們對每種電路分別進行10次測試，并對測試的結果采取加權平均的方法，以保證測試結果的準確性，測試的結果如表1所示。

4.3 直接測試法

直接測試法是指直接用測試儀器，一次性測試出需要的結果，這時我們采用開爾文測試方法消除測試引線、測試座、測試基板等帶來的誤差。開爾文連接法有三個要求：第一對于每個測試點都有一條獨立的激勵線F和一條獨立的檢測線S，兩者應嚴格分開，各自構成獨立回路；第二要求S線必須接到一個有極高輸入阻抗的測試回路上，使流過檢測線S的電流極小，近似為零。第三要求測試點盡可能的靠近被測試器件的端頭。

圖3中按照作用和電位的高低，將四條測試線分別稱為高電位施加線（FH）、低電位施加線（FL）、高電位檢測線（SH）和低電位檢測線（SL）。r1、r2表示外部引線電阻和測試座的接觸電阻等，r3、r4為測試線的線電阻。當激勵電流i在r1、r2和Rt上產生壓降時，由于流過測試回路的電流為零，在r3、r4上的壓降也為零，所以電壓表可以準確的測試出Rt兩端的壓降，通過已知的激勵電流，從而準確計算出Rt的阻值。測試結果和r1、r2無關，從而有效地減小了測量誤差。

這時可直接從BR3500上讀出器件的導通電阻：

RDS(on)=VDS(on)/ ID

4.4 間接測試法測試結果

我們同樣選取了三種導通電阻在歐姆級以下的電路進行測試驗證(SI7135DP-10.5（mΩ），SIR878ADP-4.5（mΩ），SI7164DP-2.8（mΩ）)，我們對每種電路分別進行10次測試，并對測試的結果采取加權平均的方法，以保證測試結果的代表性，測試的結果如表2。

5 結論

通過測試數據的匯總和對比后，我們發現采用間接測試法，比較適合測試導通電阻較大的電路（我們指的較大一般是指電阻在1歐到20毫歐左右），當測試小于20毫歐的導通電阻時，由于各種接觸電阻的影響仍然會帶入測試結果，而且比重加大，測試出的值與PDF典型值相比仍有一定的差異。通過更多的測試結果分析，對于導通電阻很小（小于20毫歐到1毫歐）的電路，一般選用開爾文直接測試法，這時要注意測試的布線一定要遵循開爾文測試的布線規則，測試點一定要引到被測試引腳的根部，縮短外圍測試引線的影響,測試插座最好采用鍍金的插座，這樣可以進一步提高小導通電阻的測試準確性。

通過測試的結果可以看出這種兩種方法都可以較好的測試出MOS管電路的導通電阻，其測試結果的準確度甚至可以滿足幾個毫歐級的級別。本測試方法的最大不確定性在于測試儀自身的測試準確度，如果測試儀的測試精度不夠 ，那么測試的結果必然誤差很大，所以測試的時候要按照測試儀器的操作說明書正確的進行儀器的操作，為保證測試系統工作正常，用測試系統自帶的自檢板先對系統進行自檢，保證自檢結果為通過。同時定期的進行儀器的維護，保證儀器良好的工作狀態。