晶體管的二次擊穿及檢測

2011-07-02 05:44:28王晶霞王品英沈源生

電子與封裝 2011年11期

王晶霞，王品英，沈源生

（江蘇長電科技股份有限公司，江蘇江陰 214413）

1 引言

過去一直認為晶體管的安全工作區（SOA）由其集電極最大允許電流ICM、集電極最大允許耗散功率PCM、基極開路時的擊穿電壓BVceo所圍成。但在硅晶體管問世后發現在此區域內工作并不“安全”，有相當比例的管子失效。隨著進一步的探索，發現了晶體管的二次擊穿現象，二次擊穿線縮小了原先認定的安全工作區范圍。而鍺晶體管的二次擊穿功率PSB＞PCM，它的安全工作區不受PSB的影響（見圖1）。二次擊穿又有正偏和反偏、直流和脈沖之分，本文就正偏二次擊穿作詳細論述。

圖1 晶體管的安全工作區示意圖

2 二次擊穿的探討

在使用過程中，經常發現晶體管突然損壞。尤其在電感性負載電路和大功率開關電路中，晶體管毀壞更為突出，經過分析其主要原因是由二次擊穿引起的。

圖2 晶體管的二次擊穿示意圖

2.1 二次擊穿的現象

在晶體管集電極發射極之間加電壓VCE，基極注入電流IB，當晶體管出現一次擊穿以后，若再繼續增大電壓，IC增大到某一臨界值（如圖2中B點）就會出現集電極電壓VCE迅速減小、集電極電流迅速增大、曲線迅速向低阻區移動的現象，通常將這種現象稱為二次擊穿。B點稱為二次擊穿點，B點對應的坐標分別稱為二次擊穿電流ISB與二次擊穿電壓USB。

IB不同時，開始發生二次擊穿的臨界電流和電壓也不同，把不同的IB下產生的二次擊穿點連接起來，就構成二次擊穿的臨界線（見圖2中 A、B、C、D確定的曲線）。

2.2 二次擊穿的機理

二次擊穿是由電流或電壓應力引起的破壞性結果，兩種應力都可以引起電流集中，形成局部過熱點（通稱熱斑）。而局部過熱，溫度上升又使半導體材料的電阻率下降，進一步加劇了電流的集中，如此形成惡性循環，晶體管就會局部燒熔而短路[1]。

一般又把二次擊穿分為正偏二次擊穿和反偏二次擊穿。但無論晶體管是工作在正偏還是反偏狀態，基區內部均存在橫向電場，因此電流并不均勻流動，而是向局部區域集中，見圖3（a）為正偏、（b）為反偏。

圖3 電流流動趨向

圖4 芯片基區寬度不均勻

如芯片基區寬度不均勻，芯片晶格缺陷，由于封裝不良造成空洞導致散熱不均勻等工藝原因，見圖4。加上因存在橫向電場而產生的電流向局部區域集中，則容易產生“熱斑”而發生二次擊穿。通常認為正偏二次擊穿屬于功率擊穿，反偏二次擊穿是電場擊穿。但發生反偏二次擊穿時，有時會出現振蕩現象，有振蕩說明有能量交換，可見反偏二次擊穿并不是單一的電場擊穿，在感性負載的開關電路里發生反偏二次擊穿的現象尤為嚴重[2]。

設 USB、ISB為發生二次擊穿的電流電壓，PSB為二次擊穿功率，則：

td為PSB的存在時間，即為二次擊穿延遲時間，二次擊穿時的能量表達式為：

發生二次擊穿直至損壞的時間是不定的，取決于局部高溫區的狀態，晶體管如發生二次擊穿持續時間較長，將導致管子性能劣化，甚至永久性失效。一般認為，二次擊穿時間大于200ns，晶體管將會遭到永久性破壞[3]。

據分析統計，二次擊穿后，大多數管子出現C-E短路，因為在C-E之間存在一個小的融化通道。有些管子則表現為ICM稍有變化，或出現擊穿特性有些變差，漏電流增加，其他性能尚好，在用作高頻放大時輸出功率有所下降，如多次碰到這樣的電流集中，管子將失效（見圖5）。

圖5 CE間存在融化通道

我們發現某客戶在使用3DD13003和2SD880時曾出現晶體管損壞問題，經測試發現，反饋的樣管已短路失效，解剖后用顯微鏡觀察到芯片表面有燒損痕跡，屬于典型的二次擊穿失效模式。圖6（a）為3DD13003二次擊穿失效后芯片損傷圖、（b）為2SD880二次擊穿失效后芯片損傷圖。

圖6 二次擊穿后后芯片局部燒熔點

2.3 影響二次擊穿的因素

2.3.1 制造工藝與二次擊穿的關系

二次擊穿功率的大小取決于晶體管內部電流集中程度和溫度分布“梯度”，基區寬度不均勻容易引起電流集中，在不均勻程度相同的情況下，基區寬度大的受到影響較小，因此PSB與基區寬度具有相關函數關系。

減少基區的不均勻性，消除晶格缺陷，加發射極鎮流電阻，增加外延層厚度，減少封裝時空洞現象以減小散熱的不均勻性等措施，均能增加管子的二次擊穿耐量[4]。

2.3.2 晶體管參數與二次擊穿的關系

在晶體管的電參數中，VCEO（sus）、fT、hFE等均對二次擊穿有影響。常VCEO（sus）越大，二次擊穿功率也大；而fT越高，更易發生二次擊穿；hFE大的管子，因其基區較薄較易發生二次擊穿[5]。

2.3.3 應用線路與二次擊穿的關系

晶體管的工作電壓越高，越易發生二次擊穿。故晶體管在低電壓大電流區域工作時較安全。在脈沖工作狀態下，脈沖寬度增加（亦即輸入功率增大）易引起電流集中，使二次擊穿延遲時間縮短，PSB降低。同一寬度的脈沖加在B-E間和加在C-E間，PSB也是不同的，加在B-E間時PSB較大。脈沖上升斜率du/dt越大，晶體管易發生二次擊穿[6]。

二次擊穿與負載緊密相關，晶體管在正偏時，如果負載為容性或感性，由于電壓和電流的相位移動而使負載線膨大，如越至二次擊穿線外側，就會發生二次擊穿。

在開關電路中如存在電感負載，當晶體管關斷時，負載線上出現大電流大電壓點就容易產生反偏二次擊穿。從電感中釋放出的能量為1/2L×ICP2，故反偏二次擊穿受L和Icp的影響。

2.3.4 環境溫度和二次擊穿的關系

二次擊穿由于電流集中產生“過熱點”的溫度被認為是p-n結燒毀的真實溫度，結溫的表達式為：

式中Tp為功率損耗引起的溫度、TA為環境溫度。

TA越高，二次擊穿功率越小，因此晶體管在工作時降低TA可提高其可靠性。

3 二次擊穿的檢測

晶體管的二次擊穿可用專門儀器測試，本文介紹一種較為簡易的測試方法。根據二次擊穿的機理，作者制作了一個可調恒流源，與晶體管圖示儀相配套，進行晶體管直流二次擊穿的測試，見圖7。

圖7 用恒流源驅動測試晶體管二次擊穿示意圖

3.1 測試方法

開啟恒流源，把恒流源的輸出加到被測管的基極，被測管的集電極和發射極分別連接到圖示儀的C插孔和E插孔，然后調節恒流源的輸出電流，圖示儀屏幕上出現一條被測管基極有電壓注入時的特性曲線，發生一次擊穿后（A點）；繼續增加電壓，曲線到達B點，并開始向低阻區移動時，迅速降低加在被測管上的電壓，B點即是該管的二次擊穿點。該點坐標所對應的電壓VSB和電流ISB的乘積，即是二次擊穿功率PSB，見圖8。