晶体管的二次击穿及检测

2011-07-02王晶霞王品英沈源生

电子与封装 2011年11期

王晶霞，王品英，沈源生

（江苏长电科技股份有限公司，江苏江阴 214413）

1 引言

过去一直认为晶体管的安全工作区（SOA）由其集电极最大允许电流ICM、集电极最大允许耗散功率PCM、基极开路时的击穿电压BVceo所围成。但在硅晶体管问世后发现在此区域内工作并不“安全”，有相当比例的管子失效。随着进一步的探索，发现了晶体管的二次击穿现象，二次击穿线缩小了原先认定的安全工作区范围。而锗晶体管的二次击穿功率PSB＞PCM，它的安全工作区不受PSB的影响（见图1）。二次击穿又有正偏和反偏、直流和脉冲之分，本文就正偏二次击穿作详细论述。

图1 晶体管的安全工作区示意图

2 二次击穿的探讨

在使用过程中，经常发现晶体管突然损坏。尤其在电感性负载电路和大功率开关电路中，晶体管毁坏更为突出，经过分析其主要原因是由二次击穿引起的。

图2 晶体管的二次击穿示意图

2.1 二次击穿的现象

在晶体管集电极发射极之间加电压VCE，基极注入电流IB，当晶体管出现一次击穿以后，若再继续增大电压，IC增大到某一临界值（如图2中B点）就会出现集电极电压VCE迅速减小、集电极电流迅速增大、曲线迅速向低阻区移动的现象，通常将这种现象称为二次击穿。B点称为二次击穿点，B点对应的坐标分别称为二次击穿电流ISB与二次击穿电压USB。

IB不同时，开始发生二次击穿的临界电流和电压也不同，把不同的IB下产生的二次击穿点连接起来，就构成二次击穿的临界线（见图2中 A、B、C、D确定的曲线）。

2.2 二次击穿的机理

二次击穿是由电流或电压应力引起的破坏性结果，两种应力都可以引起电流集中，形成局部过热点（通称热斑）。而局部过热，温度上升又使半导体材料的电阻率下降，进一步加剧了电流的集中，如此形成恶性循环，晶体管就会局部烧熔而短路[1]。

一般又把二次击穿分为正偏二次击穿和反偏二次击穿。但无论晶体管是工作在正偏还是反偏状态，基区内部均存在横向电场，因此电流并不均匀流动，而是向局部区域集中，见图3（a）为正偏、（b）为反偏。

图3 电流流动趋向

图4 芯片基区宽度不均匀

如芯片基区宽度不均匀，芯片晶格缺陷，由于封装不良造成空洞导致散热不均匀等工艺原因，见图4。加上因存在横向电场而产生的电流向局部区域集中，则容易产生“热斑”而发生二次击穿。通常认为正偏二次击穿属于功率击穿，反偏二次击穿是电场击穿。但发生反偏二次击穿时，有时会出现振荡现象，有振荡说明有能量交换，可见反偏二次击穿并不是单一的电场击穿，在感性负载的开关电路里发生反偏二次击穿的现象尤为严重[2]。

设 USB、ISB为发生二次击穿的电流电压，PSB为二次击穿功率，则：

td为PSB的存在时间，即为二次击穿延迟时间，二次击穿时的能量表达式为：

发生二次击穿直至损坏的时间是不定的，取决于局部高温区的状态，晶体管如发生二次击穿持续时间较长，将导致管子性能劣化，甚至永久性失效。一般认为，二次击穿时间大于200ns，晶体管将会遭到永久性破坏[3]。

据分析统计，二次击穿后，大多数管子出现C-E短路，因为在C-E之间存在一个小的融化通道。有些管子则表现为ICM稍有变化，或出现击穿特性有些变差，漏电流增加，其他性能尚好，在用作高频放大时输出功率有所下降，如多次碰到这样的电流集中，管子将失效（见图5）。

图5 CE间存在融化通道

我们发现某客户在使用3DD13003和2SD880时曾出现晶体管损坏问题，经测试发现，反馈的样管已短路失效，解剖后用显微镜观察到芯片表面有烧损痕迹，属于典型的二次击穿失效模式。图6（a）为3DD13003二次击穿失效后芯片损伤图、（b）为2SD880二次击穿失效后芯片损伤图。

图6 二次击穿后后芯片局部烧熔点

2.3 影响二次击穿的因素

2.3.1 制造工艺与二次击穿的关系

二次击穿功率的大小取决于晶体管内部电流集中程度和温度分布“梯度”，基区宽度不均匀容易引起电流集中，在不均匀程度相同的情况下，基区宽度大的受到影响较小，因此PSB与基区宽度具有相关函数关系。

减少基区的不均匀性，消除晶格缺陷，加发射极镇流电阻，增加外延层厚度，减少封装时空洞现象以减小散热的不均匀性等措施，均能增加管子的二次击穿耐量[4]。

2.3.2 晶体管参数与二次击穿的关系

在晶体管的电参数中，VCEO（sus）、fT、hFE等均对二次击穿有影响。常VCEO（sus）越大，二次击穿功率也大；而fT越高，更易发生二次击穿；hFE大的管子，因其基区较薄较易发生二次击穿[5]。

2.3.3 应用线路与二次击穿的关系

晶体管的工作电压越高，越易发生二次击穿。故晶体管在低电压大电流区域工作时较安全。在脉冲工作状态下，脉冲宽度增加（亦即输入功率增大）易引起电流集中，使二次击穿延迟时间缩短，PSB降低。同一宽度的脉冲加在B-E间和加在C-E间，PSB也是不同的，加在B-E间时PSB较大。脉冲上升斜率du/dt越大，晶体管易发生二次击穿[6]。

二次击穿与负载紧密相关，晶体管在正偏时，如果负载为容性或感性，由于电压和电流的相位移动而使负载线膨大，如越至二次击穿线外侧，就会发生二次击穿。

在开关电路中如存在电感负载，当晶体管关断时，负载线上出现大电流大电压点就容易产生反偏二次击穿。从电感中释放出的能量为1/2L×ICP2，故反偏二次击穿受L和Icp的影响。

2.3.4 环境温度和二次击穿的关系

二次击穿由于电流集中产生“过热点”的温度被认为是p-n结烧毁的真实温度，结温的表达式为：

式中Tp为功率损耗引起的温度、TA为环境温度。

TA越高，二次击穿功率越小，因此晶体管在工作时降低TA可提高其可靠性。

3 二次击穿的检测

晶体管的二次击穿可用专门仪器测试，本文介绍一种较为简易的测试方法。根据二次击穿的机理，作者制作了一个可调恒流源，与晶体管图示仪相配套，进行晶体管直流二次击穿的测试，见图7。

图7 用恒流源驱动测试晶体管二次击穿示意图

3.1 测试方法

开启恒流源，把恒流源的输出加到被测管的基极，被测管的集电极和发射极分别连接到图示仪的C插孔和E插孔，然后调节恒流源的输出电流，图示仪屏幕上出现一条被测管基极有电压注入时的特性曲线，发生一次击穿后（A点）；继续增加电压，曲线到达B点，并开始向低阻区移动时，迅速降低加在被测管上的电压，B点即是该管的二次击穿点。该点坐标所对应的电压VSB和电流ISB的乘积，即是二次击穿功率PSB，见图8。