MOS管毫欧级导通电阻测试方法

文/秦国林 许娟 蔡建荣 杨勇 刘星宇

1 引言

MOS管是金属-氧化物-半导体场效晶体管简称MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），它是一种典型的半导体功率器件，主要用于放大电路、开关电路、电源控制和电源转换电路等重要领域。半导体厂家设计了众多规格的MOS管以满足各种不同应用的需求，其导通电阻从几毫欧到数百欧，漏源极击穿电压的范围从几伏到上千伏，最大漏极耗散功率从几瓦到几百瓦，随着半导体工艺技术的不断发展，MOS管的性能不断提升。当MOS管作为开关管使用时，击穿电压越来越高，导通电阻越来越小，很多产品的导通电阻已经在毫欧级的数量级（称为低导通电阻MOS管），对于产品使用非常有利，大大降低了MOS管的功耗，可以通过更大的工作电流，也提高了电路的转换效率。

2 测试现状和问题

随着MOS管的大量使用，具体应用中选取的MOS管的导通电阻越来越小，已进入毫欧级范围，而导通电阻作为MOS管最为关键的参数之一，直接影响到该器件的使用和判断。对于这种毫欧级导通电阻，由于受测试方法和外界干扰等因素影响，往往造成测试结果的不准确，有时候甚至是错误的结果，因此导通电阻的准确测量成为MOS管测试的重点。

本测试方法的研究不在于关注仪器自身的测试精度问题，好的仪器测试精度已经可以到达μΩ级，而在实际的应用性测试中，往往由于测试方法不准确，造成测试结果严重偏离器件的实际值，无法发挥测试仪器的高精度优势，我们希望运用现有的设备仪器，寻找并建立更适当的测试方法。希望通过本研究，能对毫欧级导通电阻MOS管的测试起到一定的指导作用，从而能对MOS管性能有更准确的的判断。

3 MOS管导通电阻测试原理

3.1 MOS基本原理、技术性能参数

MOS管按照栅极的功能可分为增强型和耗尽型，按照沟道的材料类型可分为P沟道或N沟道，两种组合起来共四种类型，一般主要应用的是增强型的NMOS管和增强型的PMOS管，与传统的晶体管相比，MOS管具有开关速度快、输入阻抗高、安全工作区大、热稳定性好等优点。

MOS管的主要电参数有：

VDS（BR）：漏源极击穿电压；

RDS（on）：MOS管导通时漏源之间的电阻；

ID：最大漏极工作电流；

PD：最大漏极耗散功率。

3.2 导通电阻的测试原理

MOS管是电压控制电流型器件，对于导通电阻测试，在漏极和源极之间加电源电压VDS，在栅极和源极之间加上控制电压VGS，由VGS控制源级(S)和漏极(D)之间的电流ID，而MOS管作为开关管应用，导通后其漏源导通特性呈纯阻性，如图1所示；在饱和导通后漏源之间等同于存在一个阻值极小的电阻，其电阻的阻值和两端的电压降、流过的电流符合欧姆定律的关系，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。MOS管电参数的测试可以通过自动测试设备ATE（Automatic Test Equipment）完成，我们使用的是西安佰仁科技生产的BR3500静态参数测试系统进行测试，对于导通电阻的测试，通常是直接用测试夹具夹在被测试引脚的两端，或通过转接座将被测试器件固定，再根据MOS管的电参数测试项目和测试条件，编写测试仪的加压测流、加流测压等测试控制程序，并根据预设好的参数测试流程目对每一项进行测试。

4 测试关键技术解决方法

由于原先使用测试夹具对电路进行装夹测试，虽然测试的时候方便，但是由于夹具和电路引脚的接触不能保证紧密接触，造成测试的时候接触电阻很大，特别是被测器件非常小没有适合夹具，并且流过器件的电流较大的时候，这时往往无法准确的测试到真实的导通电阻值，经过研究和摸底测试，我们找到两种对应的测试解决方法。第一种为间接测试方法，第二种为直接测试方法，用以最大限度的减小测试时的各种干扰电阻带来的误差。

图1：MOS管导通电阻的测试电路图和等效电路图

图2：导通电阻测量步骤图

图3：开尔文测试方法

4.1 间接测试法

间接测试法是采用类似于系统校准的方式，通过两次测试将外部干扰因素测出后减掉。对于封装较小无法直接测试导通电阻的器件，或需要另外加测试夹具测试的器件，首先需制作出具体器件对应的安装测试PCB板，先不组装被测试的器件，而是用铜短路线将测试板上的D端和S端短接，用加压测流的方式单独测试出引线电阻、测试夹具、接触电阻的共同组成的外围电阻R0，再将器件组装在测试板上，测试出被测器件和所有外围电阻一起的阻值R1，两者相减，从而得出器件本身的导通电阻值，示意图如图2所示。

导通电阻测试方法：在被测器件上施加规定的导通电流ID，采用BR3500型分立器件静态参数测试系统，测出导通压降VDS(on)，并通过如下公式计算出电阻R0和R1：

R0或R1=VDS(on)/ID

RDS(on)=R1-R0

式中：R0-用铜短路线测试的导通电阻阻值（mΩ）

R1-器件组装在测试板上时测试的导通电阻阻值（mΩ）

表1

表2

VDS(on)-器件的导通压降（mV）

ID-器件的工作电流（A）

RDS(on)-被测器件的实际导通电阻值（mΩ）

4.2 间接测试法测试结果

我们选取的试验用MOS管样品的导通电阻都在欧姆级以下，而且为了保证选取的代表性，我们选用了三种导通电阻典型值较小的MOS管（SI7818-110mΩ、STL22NF-52mΩ、SI7164DP-5.0mΩ）进行测试。我们对每种电路分别进行10次测试，并对测试的结果采取加权平均的方法，以保证测试结果的准确性，测试的结果如表1所示。

4.3 直接测试法

直接测试法是指直接用测试仪器，一次性测试出需要的结果，这时我们采用开尔文测试方法消除测试引线、测试座、测试基板等带来的误差。开尔文连接法有三个要求：第一对于每个测试点都有一条独立的激励线F和一条独立的检测线S，两者应严格分开，各自构成独立回路；第二要求S线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线S的电流极小，近似为零。第三要求测试点尽可能的靠近被测试器件的端头。

图3中按照作用和电位的高低，将四条测试线分别称为高电位施加线（FH）、低电位施加线（FL）、高电位检测线（SH）和低电位检测线（SL）。r1、r2表示外部引线电阻和测试座的接触电阻等，r3、r4为测试线的线电阻。当激励电流i在r1、r2和Rt上产生压降时，由于流过测试回路的电流为零，在r3、r4上的压降也为零，所以电压表可以准确的测试出Rt两端的压降，通过已知的激励电流，从而准确计算出Rt的阻值。测试结果和r1、r2无关，从而有效地减小了测量误差。

这时可直接从BR3500上读出器件的导通电阻：

RDS(on)=VDS(on)/ ID

4.4 间接测试法测试结果

我们同样选取了三种导通电阻在欧姆级以下的电路进行测试验证(SI7135DP-10.5（mΩ），SIR878ADP-4.5（mΩ），SI7164DP-2.8（mΩ）)，我们对每种电路分别进行10次测试，并对测试的结果采取加权平均的方法，以保证测试结果的代表性，测试的结果如表2。

5 结论

通过测试数据的汇总和对比后，我们发现采用间接测试法，比较适合测试导通电阻较大的电路（我们指的较大一般是指电阻在1欧到20毫欧左右），当测试小于20毫欧的导通电阻时，由于各种接触电阻的影响仍然会带入测试结果，而且比重加大，测试出的值与PDF典型值相比仍有一定的差异。通过更多的测试结果分析，对于导通电阻很小（小于20毫欧到1毫欧）的电路，一般选用开尔文直接测试法，这时要注意测试的布线一定要遵循开尔文测试的布线规则，测试点一定要引到被测试引脚的根部，缩短外围测试引线的影响,测试插座最好采用镀金的插座，这样可以进一步提高小导通电阻的测试准确性。

通过测试的结果可以看出这种两种方法都可以较好的测试出MOS管电路的导通电阻，其测试结果的准确度甚至可以满足几个毫欧级的级别。本测试方法的最大不确定性在于测试仪自身的测试准确度，如果测试仪的测试精度不够 ，那么测试的结果必然误差很大，所以测试的时候要按照测试仪器的操作说明书正确的进行仪器的操作，为保证测试系统工作正常，用测试系统自带的自检板先对系统进行自检，保证自检结果为通过。同时定期的进行仪器的维护，保证仪器良好的工作状态。