半導體器件壽命影響因素研究

　　半導體器件壽命影響因素研究

　　摘 要：浪涌和靜電是影響半導體器件壽命的重要因素。

　　為提高半導體器件的壽命指標，文中給出了應用于模擬電路的電源軟啟動(dòng)電路。

　　該電路采用了RC充電原理，可使半導體器件上的電壓逐漸加上，而不會(huì )產(chǎn)生有損于半導體器件的浪涌;文中又給出了一款應用于數字電路中的浪涌消除電路，該電路采用了分頻采樣、移位寄存和計算判斷方法，可有效消除因控制開(kāi)關(guān)或器件管腳接觸不良產(chǎn)生的高低電平交替出現的浪涌信號，該設計與同類(lèi)浪涌消除或抖動(dòng)信號消除電路相比，其時(shí)序延時(shí)僅為5 ms。

　　關(guān)鍵詞：半導體器件;壽命;浪涌;靜電;軟啟動(dòng);消浪涌電路

　　0 引 言

　　隨著(zhù)半導體器件的廣泛使用，其壽命指標受到業(yè)界普遍關(guān)注。

　　半導體器件壽命的延續是一種性能退化過(guò)程，最終導致失效[1]。

　　造成這種退化的原因很多，如人為使用不當、浪涌和靜電擊穿等，但通過(guò)一定的預防措施和增加必要的附加電路可以有效延長(cháng)半導體器件的壽命。

　　1 半導體器件的退化和失效

　　大量試驗表明，半導體器件的失效隨時(shí)間的統計分布規律呈浴盆狀，如圖1所示。

　　失效期包括早期的快速退化失效、中期的偶然失效與后期的快速損耗失效。

　　早期快速失效一般是由半導體材料本身原因造成;中期偶然失效期的時(shí)域較寬，在此期間導致半導體器件失效的原因具有一定的偶然性;后期失效概率較高，主要由各種損耗積累與綜合爆發(fā)引起[2]。

　　由此可知，只要通過(guò)初期的嚴格篩選，同時(shí)加強質(zhì)量管理和改進(jìn)生產(chǎn)工藝，防止偶然失效，半導體器件就能獲得較長(cháng)的壽命[3]。

　　圖1 半導體器件失效期隨時(shí)間的分布

　　2 半導體器件壽命影響因素及預防措施

　　PN結是半導體器件的核心，對電壓沖擊的承受能力很差，一旦被擊穿，便無(wú)法產(chǎn)生非平衡載流子。

　　在使用過(guò)程中，半導體器件的損壞多半是由浪涌或靜電擊穿造成的。

　　浪涌是一種突發(fā)性的瞬間電信號脈沖，具有很強的隨機性，一般表現為尖脈沖，脈寬很窄，但峰值較高，容易使半導體器件瞬時(shí)過(guò)壓造成PN結擊穿，即使不致于一次性使半導體器件產(chǎn)生完全失效，但在多次浪涌的沖擊下也會(huì )加速它的性能退化和最終失效[4]。

　　在電路的使用過(guò)程中，出現比較多的浪涌是開(kāi)啟或關(guān)斷電源時(shí)抑或器件接觸不良時(shí)產(chǎn)生的電壓/電流沖擊，以及由于電網(wǎng)波動(dòng)或其它大功率電器啟動(dòng)而產(chǎn)生的電壓/電流沖擊。

　　另外，靜電也是造成PN結損壞或擊穿的重要原因。

　　表1給出了產(chǎn)生浪涌和靜電的幾種常見(jiàn)原因及其特征和預防措施。

　　3 模擬電路中浪涌消除電路

　　3.1 短路保護開(kāi)關(guān)

　　為半導體器件并聯(lián)一個(gè)電阻較小的短路保護開(kāi)關(guān)是一種簡(jiǎn)單的消浪涌方法[5]。

　　當需要啟動(dòng)半導體器件電源時(shí)，先閉合短路保護開(kāi)關(guān)，讓啟動(dòng)電源瞬間產(chǎn)生的浪涌經(jīng)短路保護開(kāi)關(guān)放電，待電源工作穩定后，斷開(kāi)短路開(kāi)關(guān)，穩定的電源便可正常工作于半導體器件。

　　當需要關(guān)閉電源時(shí)，先閉合短路保護開(kāi)關(guān)，然后斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，以避免瞬間電流浪涌損壞半導體器件。

　　實(shí)踐證明，該方法對消除開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電源時(shí)瞬間產(chǎn)生的電壓/電流浪涌沖擊是可行的。

　　但也存在不足，即該方法不僅給半導體器件操作員增加了一部分繁瑣的工作量，且無(wú)法消除來(lái)自外電路的浪涌所帶來(lái)的影響。

　　3.2 電源軟啟動(dòng)電路

　　為解決以上不足，可采用電源軟啟動(dòng)電路，該電路不但可以消除電源啟動(dòng)/關(guān)閉瞬間產(chǎn)生的浪涌，還可以保證半導體器件兩端避免突然加上階躍電壓，因為這種上升沿很陡的電壓，即使幅值很低，也會(huì )對半導體器件產(chǎn)生不良影響[6]。

　　圖2(a)和圖2(b)給出了有/無(wú)采取軟啟動(dòng)情況下半導體器件驅動(dòng)電流I隨時(shí)間t的變化。

　　在沒(méi)有電源軟啟動(dòng)電路的情況下接通電源開(kāi)關(guān)，驅動(dòng)電源會(huì )產(chǎn)生幅度較大的電流浪涌，隨后經(jīng)過(guò)過(guò)渡過(guò)程才趨向穩定。

　　采用電源軟啟動(dòng)電路之后，工作電壓不會(huì )瞬間加在整個(gè)穩流電路上，而是在一定的時(shí)間內，電流從零開(kāi)始逐漸上升到正常工作值。

　　圖2 有/無(wú)軟啟動(dòng)情況下驅動(dòng)電流I與時(shí)間t的關(guān)系

　　軟啟動(dòng)電路在電源電路中已得到了廣泛應用，該過(guò)程可以由計算機控制實(shí)現，且可靠性高，穩定性好，但是價(jià)格比較昂貴。

　　實(shí)際上，對于一些簡(jiǎn)單的、普通的半導體器件電源電路，只需對電源電路稍加改進(jìn)，便可實(shí)現軟啟動(dòng)，圖3給出了一個(gè)利用RC充電原理實(shí)現軟啟動(dòng)的電源電路，電路中的R1、C7、C8、Q1、Q2為電壓緩慢上升電路，電路兩邊增加了兩個(gè)π型濾波器電路，防止電流突變。

　　該軟啟動(dòng)電路可以使得半導體器件兩端的電壓逐漸加上，不會(huì )產(chǎn)生浪涌信號對半導體器件帶來(lái)破壞。

　　4 數字電路中浪涌消除電路

　　在很多情況下，半導體器件的管腳不是通過(guò)焊接而是直接插入管座中，然而管腳和插座接觸不良或者機械振動(dòng)都會(huì )造成時(shí)通時(shí)斷而產(chǎn)生連續多個(gè)電壓浪涌。

　　另外，某些功能控制開(kāi)關(guān)和功率調節開(kāi)關(guān)接觸不良或動(dòng)作瞬間也會(huì )產(chǎn)生連續多個(gè)電壓浪涌。

　　在數字電路中，這些電壓浪涌幅值較低(波形表示為短脈寬的高/低電平"1"和"0")，這些浪涌邊沿很陡，呈高低電平交替狀態(tài)，若未經(jīng)處理直接將它加在半導體器件兩端會(huì )影響其壽命，同時(shí)也會(huì )給系統帶來(lái)干擾。

　　圖3 電源軟啟動(dòng)電路

　　圖4給出了一款應用于數字電路中具有消除連續多個(gè)電壓浪涌功能的電路。

　　電路中的CLNR是觸發(fā)器清零信號，K1_in和K2_in表示兩組帶有浪涌的輸入信號，K1_out和K2_out表示所對應的經(jīng)過(guò)消浪涌后的輸出信號。

　　電路采用了分頻采樣、移位寄存和計算判斷方法，采用4個(gè)D觸發(fā)器連續對輸入信號K1_in進(jìn)行移位采樣，并隨時(shí)鐘信號的觸發(fā)寄存于數組K1[4..1]中。

　　若數組中相鄰兩個(gè)數據都為高電平就默認為高電平"1"，其它情況則表示低電平"0"。

　　用邏輯最簡(jiǎn)公式表示為：K1_out=K11K12+K13K14+(!K11)K12K13(!K14)。

　　由于半導體管腳和插座接觸不良或機械振動(dòng)等現象引起的連續電壓浪涌掃描周期一般不超過(guò)10 ms，因此電路中采用了頻率為200 Hz、周期為5 ms的clk_200時(shí)鐘信號進(jìn)行數據移位寄存。

　　圖5給出了該電路在Quartus II 環(huán)境下的仿真波形。

　　圖5 數字電路中浪涌消除電路仿真波形

　　從仿真結果可以看出，當輸入信號K1_in在低電平輸入過(guò)程中連續出現多個(gè)脈寬小于或等于10 ms的高電平浪涌時(shí)，輸出信號K1_out仍為低電平;當輸入信號K2_in在高電平輸入過(guò)程中連續出現多個(gè)脈度小于或等于10 ms的低電平浪涌時(shí)，輸出信號K2_out仍為高電平。

　　由此可知，該電路能很好地消除連續出現的浪涌，作為半導體器件浪涌消除電路可有效延長(cháng)半導體器件壽命指標，并具有良好的抗浪涌信號干擾的能力。

　　另外，從信號延時(shí)來(lái)看，該電路的輸入信號僅有5 ms的時(shí)序延時(shí)，與同類(lèi)的浪涌消除或抖動(dòng)信號消除電路相比較，該延時(shí)較小。

　　5 結 語(yǔ)

　　隨著(zhù)半導體器件生產(chǎn)工藝日趨成熟，其應用范圍已覆蓋了國防、工業(yè)、科研和民用等領(lǐng)域，并發(fā)揮著(zhù)重要的作用[7，8]，因此，有必要針對它的壽命特性和延壽方法開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

　　文中分析了影響半導體器件壽命的主要原因，討論了浪涌和靜電的特點(diǎn)及其預防措施，分別給出了應用于模擬電路和數字電路中的電源軟啟動(dòng)電路和連續浪涌消除電路，電路結構簡(jiǎn)單，性能良好，值得推廣。

　　參考文獻

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