晶體管的二次擊穿及檢測

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(rèn)為晶體管的安全工作區(qū)（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(shí)的擊穿電壓BVceo所圍成。但在硅晶體管問世后發(fā)現(xiàn)在此區(qū)域內(nèi)工作并不“安全”，有相當(dāng)比例的管子失效。隨著進(jìn)一步的探索，發(fā)現(xiàn)了晶體管的二次擊穿現(xiàn)象，二次擊穿線縮小了原先認(rèn)定的安全工作區(qū)范圍。而鍺晶體管的二次擊穿功率PSB＞PCM，它的安全工作區(qū)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(xì)論述。

圖1 晶體管的安全工作區(qū)示意圖

2 二次擊穿的探討

在使用過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)晶體管突然損壞。尤其在電感性負(fù)載電路和大功率開關(guān)電路中，晶體管毀壞更為突出，經(jīng)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(xiàn)象

在晶體管集電極發(fā)射極之間加電壓VCE，基極注入電流IB，當(dāng)晶體管出現(xiàn)一次擊穿以后，若再繼續(xù)增大電壓，IC增大到某一臨界值（如圖2中B點(diǎn)）就會出現(xiàn)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(qū)移動的現(xiàn)象，通常將這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。B點(diǎn)稱為二次擊穿點(diǎn)，B點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)分別稱為二次擊穿電流ISB與二次擊穿電壓USB。

IB不同時(shí)，開始發(fā)生二次擊穿的臨界電流和電壓也不同，把不同的IB下產(chǎn)生的二次擊穿點(diǎn)連接起來，就構(gòu)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(jī)理

二次擊穿是由電流或電壓應(yīng)力引起的破壞性結(jié)果，兩種應(yīng)力都可以引起電流集中，形成局部過熱點(diǎn)（通稱熱斑）。而局部過熱，溫度上升又使半導(dǎo)體材料的電阻率下降，進(jìn)一步加劇了電流的集中，如此形成惡性循環(huán)，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(tài)，基區(qū)內(nèi)部均存在橫向電場，因此電流并不均勻流動，而是向局部區(qū)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(qū)寬度不均勻

如芯片基區(qū)寬度不均勻，芯片晶格缺陷，由于封裝不良造成空洞導(dǎo)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(chǎn)生的電流向局部區(qū)域集中，則容易產(chǎn)生“熱斑”而發(fā)生二次擊穿。通常認(rèn)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(fā)生反偏二次擊穿時(shí)，有時(shí)會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)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(fù)載的開關(guān)電路里發(fā)生反偏二次擊穿的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重[2]。

設(shè) USB、ISB為發(fā)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(shí)間，即為二次擊穿延遲時(shí)間，二次擊穿時(shí)的能量表達(dá)式為：

發(fā)生二次擊穿直至損壞的時(shí)間是不定的，取決于局部高溫區(qū)的狀態(tài)，晶體管如發(fā)生二次擊穿持續(xù)時(shí)間較長，將導(dǎo)致管子性能劣化，甚至永久性失效。一般認(rèn)為，二次擊穿時(shí)間大于200ns，晶體管將會遭到永久性破壞[3]。

據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，二次擊穿后，大多數(shù)管子出現(xiàn)C-E短路，因?yàn)樵贑-E之間存在一個(gè)小的融化通道。有些管子則表現(xiàn)為ICM稍有變化，或出現(xiàn)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(shí)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(fā)現(xiàn)某客戶在使用3DD13003和2SD880時(shí)曾出現(xiàn)晶體管損壞問題，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，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(diǎn)

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(guān)系

二次擊穿功率的大小取決于晶體管內(nèi)部電流集中程度和溫度分布“梯度”，基區(qū)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(qū)寬度大的受到影響較小，因此PSB與基區(qū)寬度具有相關(guān)函數(shù)關(guān)系。

減少基區(qū)的不均勻性，消除晶格缺陷，加發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻，增加外延層厚度，減少封裝時(shí)空洞現(xiàn)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(shù)與二次擊穿的關(guān)系

在晶體管的電參數(shù)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(fā)生二次擊穿；hFE大的管子，因其基區(qū)較薄較易發(fā)生二次擊穿[5]。

2.3.3 應(yīng)用線路與二次擊穿的關(guān)系

晶體管的工作電壓越高，越易發(fā)生二次擊穿。故晶體管在低電壓大電流區(qū)域工作時(shí)較安全。在脈沖工作狀態(tài)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(shí)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(shí)PSB較大。脈沖上升斜率du/dt越大，晶體管易發(fā)生二次擊穿[6]。

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

在開關(guān)電路中如存在電感負(fù)載，當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，負(fù)載線上出現(xiàn)大電流大電壓點(diǎn)就容易產(chǎn)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(huán)境溫度和二次擊穿的關(guān)系

二次擊穿由于電流集中產(chǎn)生“過熱點(diǎn)”的溫度被認(rèn)為是p-n結(jié)燒毀的真實(shí)溫度，結(jié)溫的表達(dá)式為：

式中Tp為功率損耗引起的溫度、TA為環(huán)境溫度。

TA越高，二次擊穿功率越小，因此晶體管在工作時(shí)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(jù)二次擊穿的機(jī)理，作者制作了一個(gè)可調(diào)恒流源，與晶體管圖示儀相配套，進(jìn)行晶體管直流二次擊穿的測試，見圖7。

圖7 用恒流源驅(qū)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(fā)射極分別連接到圖示儀的C插孔和E插孔，然后調(diào)節(jié)恒流源的輸出電流，圖示儀屏幕上出現(xiàn)一條被測管基極有電壓注入時(shí)的特性曲線，發(fā)生一次擊穿后（A點(diǎn)）；繼續(xù)增加電壓，曲線到達(dá)B點(diǎn)，并開始向低阻區(qū)移動時(shí)，迅速降低加在被測管上的電壓，B點(diǎn)即是該管的二次擊穿點(diǎn)。該點(diǎn)坐標(biāo)所對應(yīng)的電壓VSB和電流ISB的乘積，即是二次擊穿功率PSB，見圖8。

圖8 實(shí)拍二次擊穿曲線圖

同樣，可測得被測管基極在不同注入時(shí)的多個(gè)二次擊穿點(diǎn)，把這些點(diǎn)連接起來，就是該晶體管的二次擊穿線。

為防止被測管管溫升高而影響測試結(jié)果，應(yīng)采取必要的散熱措施。

3.2 實(shí)例

（1）2SD880分別用恒流源驅(qū)動、二次擊穿測試儀測得的數(shù)據(jù)，見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制2SD880二次擊穿特性曲線，見圖9（雙對數(shù)坐標(biāo)）。

表1 2SD880測試結(jié)果

圖9 2SD880用兩種方法測得二次擊穿特性曲線對比圖

（2）3DD13003分別用恒流源驅(qū)動、二次擊穿測試儀測得的數(shù)據(jù)見表2。

表2 3DD13003測試結(jié)果

根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制3DD13003二次擊穿特性曲線，見圖10（雙對數(shù)坐標(biāo)）。

圖10 3DD13003用兩種方法測得二次擊穿特性曲線對比圖

4 結(jié)論

（1）晶體管的二次擊穿是其失效的重要因素。其失效機(jī)理是由于電流或電壓應(yīng)力引起的電流集中，產(chǎn)生熱斑，導(dǎo)致芯片局部燒熔穿通。芯片的材料與工藝、芯片的組裝、晶體管的實(shí)際應(yīng)用電路以及環(huán)境溫度均對二次擊穿有直接影響。

（2）用恒流源驅(qū)動裝置與用二次擊穿測試儀所測得的數(shù)據(jù)比較，差異不大，根據(jù)兩組數(shù)據(jù)所描繪的二次擊穿曲線相吻合。

（3）二次擊穿線與ICM、PCM、VCEO曲線共同組成了晶體管的安全工作區(qū)，可給電路設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)作為參考，同時(shí)給器件生產(chǎn)商在做失效分析、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面提供幫助。

[1] 陳星弼.晶體管原理與設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 張為佐.新型電力半導(dǎo)體器件原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3] Hower P L, Blackburn D I. Srable hot spots and breakdown in power transistor[J]. IEEE Power Electronics Conferense,1992（2）:234.

[4] 舒梅. 提高大功率開關(guān)晶體管二次擊穿容量的一種方法[J]. 科技咨詢，2007，24：233-234.

[5] 李宏.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6] 王淑美，蔣濟(jì)昌. 對功率管正偏二次擊穿失效原因的分析[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，1993，2：12-16.