T V S器件中工藝參數對電性能的影響

南通明芯微電子有限公司 張興杰

T V S器件中工藝參數對電性能的影響

南通明芯微電子有限公司 張興杰

瞬態電壓抑制器（TVS）為一種硅PN結高效能的保護器件，可解決電路板面緊張問題，并在反向瞬態高能的沖擊下，能夠對浪涌功率最快響應速度吸收，可對線路內精密元器件形成良好保護。本文研究顯示擴散溫度、擴散時間、電阻率及鈍化保護等工藝參數會影響TVS二極管電性能。擴散溫度及擴散時間增加會增加擴散結深；而電阻率升高，TVS擊穿電壓增大，鈍化保護可可減小TVS器件內反向漏電流。

TVS器件；工藝參數；電性能；影響

隨電子科技及信息技術不斷發展，半導體器件在功能不斷強化的同時，體積日趨減小，便捷式消費電子產品大量出現，在人們日常生活中發揮了重要作用。這些便攜式電子產品對主板面積還有器件響應性能有較高要求，響應器不僅要滿足高速下的數據傳輸，同時還要擁有足夠的抗電壓、電流瞬態干擾能力。瞬態電壓抑制器（TVS）為一種硅PN結高效能的保護器件，器件不僅解決了電路板面的緊張狀況，在反向瞬態高能的沖擊下，能夠對浪涌功率最快響應速度吸收，可對線路內精密元器件形成良好保護。

1.TVS器件結構

TVS是由美國學者Richard Von Barandy所發明的，是由硅在擴散工藝下所形成的一個PN結半導體二極管器件。雙向 TVS是由兩只單向TVS 通過反向串接而成的，使用過程中對電壓正端、負端無需考慮。使用過程中，當TVS兩端遭受到瞬態反向高能量的沖擊時，TVS可以在10-12s 量級時間內將數KW浪涌功率吸收，將器件兩極間高阻抗轉變成低阻抗，將器件兩極之間電壓箝位到一個預定值，讓電子線路內安裝的精密元器件免收靜電及各種浪涌脈沖損壞，對其進行有效保護。

2.TVS測試

TVS二極管制備之后，通過FEC200測試儀（Frothingham Electronics Corporation 生產）對TVS二極管樣品進行電參數測試。測試標準參照TVS產品標準來進行，測試中的相應數據參數為：擊穿電壓測試電流取值為1mA，反向漏電流測試電壓取值為TVS二極管額定關斷電壓，也就是擊穿電壓值的85%，通過測試，對TVS二極管內不同工藝參數對于電性能的影響進行討論。

3.結果及討論

3.1 擴散時間對TVS二極管擊穿電壓的影響

分別選定電阻率為0.1010-0.1117、0.1512-0.1672、0.2045-0.2261Ωicm這三個級別范圍的N型硅片，對硅片表面雜質進行清洗，經過預淀積、再分布后，在1250℃溫度下將三組硅片分別推進10、20、30、40、50h，完成雜質擴散，對三組硅片結深進行分析，得到圖3.1所示的擴散時間同結深間的關系。

圖3.1 擴散時間同結深間的關系

從圖3.1可看出不同電阻率硅片隨擴散時間增加，結深也是不斷增加的，但是增加的趨勢隨時間增加逐漸變緩；相同擴散時間下，原始硅片電阻率越高，結深越大。

3.2 擴散溫度對TVS二極管擊穿電壓的影響

分別選定電阻率為0.1010-0.1117、0.1512-0.1672、0.2045-0.2261Ωicm這三個級別范圍的N型硅片，對硅片表面雜質進行清洗，經過預淀積、再分布后，在 1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1270℃溫度下將三組硅片推進15h，完成雜質擴散，對三組硅片結深進行分析，得到圖3.2所示的擴散溫度同結深間的關系。

圖3.2 擴散溫度同結深間的關系

從圖3.2可看出不同電阻率硅片隨擴散溫度增加，結深也是不斷增加的。分析原因主要是因為溫度增加后，TVS二極管內雜質擴散系數也是相應增加的，使得TVS二極管在擴散時間相同情況下，溫度越高，擴散也就越深。

對擴散時間同擴散溫度對TVS二極管結深影響關系中可以看出，擴散溫度在雜質擴散中影響作用更大，因此在TVS二極管制備過程中，要對擴散溫度進行精準控制，因為TVS二極管在高溫擴散狀態下，1℃的溫度偏差會對應5%-10%的擴散系數上的差別，這對要精準控制TVS二極管器件結深是非常不利的。

3.3 電阻率對TVS二極管擊穿電壓的影響

將上述三組不同電阻率的N型硅片進行摻雜處理，并在硅片內預淀積足量硼，并在氮氣氧氣氣氛下，1200℃溫度下，將三組硅片推進擴散，完成雜質擴散，對電阻率對TVS二極管擊穿電壓的影響進行分析：

相同的擴散條件之下，電阻率TVS二極管擊穿電壓間呈正比例關系，電阻率越高，TVS二極管襯底中的雜質濃度越低，而TVS二極管擊穿電壓越大。分析原因主要是因為雪崩擊穿是勢壘區中的載流子對電離進行碰撞的結果，雪崩擊穿主要是載流子對電離的碰撞能力所決定的，而電場作用之下，載流子在單位距離下因偏移產生的電子－空穴的對數越多，雪崩擊穿效應也就越強，TVS二極管器件越容易被擊穿。對TVS二極管來說，硅片的電阻率越低，硅片內雜質的摻雜濃度就越高，相同條件之下載離子所產生的電子－空穴的對數也就越多，因此越容易出現雪崩擊穿，也就是說擊穿的電壓也就越低。

從上述可看出，硅片雪崩擊穿電壓是由結深、襯底雜質濃度還有擴散層表面雜質濃度這幾個參數共同決定的，這三個參數確定了，那么TVS二極管擴散結的擊穿電壓也就確定了。

4.結論

擴散參數對TVS二極管電性能影響極大。擴散時間不同、擴散溫度不同，TVS二極管擊穿電壓也不同。因此TVS二極管制備中需選擇對適合電阻率硅片，對硅片擴散參數進行選擇，這樣TVS二極管器件電性能才會更有保障。