高频硅PNP晶体管3CG120高温失效机理研究

2012-08-07 11:06:37来源: 现代电子技术

    失效分析的目的是通过总结失效现象,分析失效模式,研究其失效原因和失效机理,为器件的可靠性设计,工艺改进及可靠性增长提供有益的信息。
    电子器件有时需要在宇宙空间中运行的卫星、火箭等高温、高辐射等极端条件下使用,条件非常恶劣,超出了正常使用温度范围。并且,随着技术的进步,对电子器件所要求的可靠寿命也越来越长。这就使得研究器件高温特性和高温下的退化特性,分析其高温下的失效机理及失效原因,从而保证器件在各种温度条件下正常工作具有重要意义。
    文中使用温度斜坡法,对样品硅PNP型晶体管3CG120进行170~340℃温度范围内序进应力加速寿命试验,得到样品在不同温度下电流增益、击穿电压、反向漏电流等电参数的退化规律。并通过对不同电参数退化规律的分析,初步分析在不同温度范围内的样品失效机理。

1 试验
    为了研究样品3CG120在高温下的失效模式,失效机理等,文中对样品3CG120进行序进应力加速寿命试验,试验条件及测试参数如表1所示。

a.JPG

2 结果与分析
    试验的样本量为3支,在Ti=170~340℃温度范围内,试验样品372#、373#、374#表现出的退化规律比较一致。测试数据hFE如图1所示。

b.JPG


    如图1,参数hFE的退化过程可分为A、B、C、D 4段。各温度段内参数的退化规律如表2所示。
    分析各参数的退化规律,直流增益hFE仍然是第一位的失效敏感参数,下面从理论上分析其退化机理,同时,参照其他参数的变化规律对其进行分析。
    本试验中,根据晶体管原理:hFE=IC/IB      (1)
    式中,IC、IB分别为收集极、基极电流。
    根据半导体物理关于PN结的理论可知:PN结的正向电流由扩散电流和复合电流Ire两部分组成。当晶体管工作在有源放大区时,发射结势垒区内存在着净复合,这股复合电流的表达式为:

d.JPG


    
    式中:xm为发射结耗尽层厚度;AJ为发射结面积;VE为正向电压。
    由(2)式可知,复合电流Ire和耗尽区的体积xmAJ成正比;由(1)式可知,直流增益与复合电流成反比。当存在表面电场时,就会影响耗尽层总的体积,从而影响到发射结正向电流中复合电流的成分变化,进而影响直流增益hFE的大小。
    根据文献,pn结总的反向电流IR为:

e.JPG


    
    式中,Igen,MJ为结耗尽区中形成的产生电流;Igen,FIJ为栅电极下的表面耗尽区产生电流;Igen,s为Si-SiO2界面陷阱引起的产生电流。
    下面结合试验情况对样品的失效机理进行分析。
    第1段:175~240℃,在进行序进应力加速寿命试验时,发射结通过正向大电流,由于基区浓度远小于发射区浓度,故正向电流主要由空穴组成。这些空穴通过发射结耗尽层时形成正的空间电荷,这种正空间电荷在发射结Si-SiO2界面形成的电场,将排斥SiO2层中的可动正离子趋向远离Si-SiO2界面。故可动正离子会被排斥到SiO2上表面,相当于在SiO2上表面加一负电场VGBE,如图2所示。试验过程中的温度上升会促使正离子的这种运动,而且时间愈长在正离子在SiO2上表面堆积愈多,也即相当于VGBE愈大,这将使基区表面从堆积到耗尽。集电结也通过反向空穴大电流,在集电结耗尽层Si-SiO2界面形成相对于SiO2层的正向电场,排斥SiO2层中的可动正离子趋向远离Si-SiO2界面,使集电结基区表面逐渐耗尽,集电区表面逐渐堆积。

[1] [2] [3]

关键字:高温  失效机理  加速寿命试验  PNP

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0807/article_5619.html
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