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半導(dǎo)體器件壽命影響因素研究
半導(dǎo)體器件壽命影響因素研究
摘 要：浪涌和靜電是影響半導(dǎo)體器件壽命的重要因素。
為提高半導(dǎo)體器件的壽命指標(biāo)，文中給出了應(yīng)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(dǎo)體器件上的電壓逐漸加上，而不會(huì)產(chǎn)生有損于半導(dǎo)體器件的浪涌;文中又給出了一款應(yīng)用于數(shù)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(jì)算判斷方法，可有效消除因控制開關(guān)或器件管腳接觸不良產(chǎn)生的高低電平交替出現(xiàn)的浪涌信號(hào)，該設(shè)計(jì)與同類浪涌消除或抖動(dòng)信號(hào)消除電路相比，其時(shí)序延時(shí)僅為5 ms。
關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件;壽命;浪涌;靜電;軟啟動(dòng);消浪涌電路
0 引 言
隨著半導(dǎo)體器件的廣泛使用，其壽命指標(biāo)受到業(yè)界普遍關(guān)注。
半導(dǎo)體器件壽命的延續(xù)是一種性能退化過程，最終導(dǎo)致失效[1]。
造成這種退化的原因很多，如人為使用不當(dāng)、浪涌和靜電擊穿等，但通過一定的預(yù)防措施和增加必要的附加電路可以有效延長半導(dǎo)體器件的壽命。
1 半導(dǎo)體器件的退化和失效
大量試驗(yàn)表明，半導(dǎo)體器件的失效隨時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)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(dǎo)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(dǎo)致半導(dǎo)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，只要通過初期的嚴(yán)格篩選，同時(shí)加強(qiáng)質(zhì)量管理和改進(jìn)生產(chǎn)工藝，防止偶然失效，半導(dǎo)體器件就能獲得較長的壽命[3]。
圖1 半導(dǎo)體器件失效期隨時(shí)間的分布
2 半導(dǎo)體器件壽命影響因素及預(yù)防措施
PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的核心，對(duì)電壓沖擊的承受能力很差，一旦被擊穿，便無法產(chǎn)生非平衡載流子。
在使用過程中，半導(dǎo)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(hào)脈沖，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，一般表現(xiàn)為尖脈沖，脈寬很窄，但峰值較高，容易使半導(dǎo)體器件瞬時(shí)過壓造成PN結(jié)擊穿，即使不致于一次性使半導(dǎo)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]。
在電路的使用過程中，出現(xiàn)比較多的浪涌是開啟或關(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(jié)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原因及其特征和預(yù)防措施。
3 模擬電路中浪涌消除電路
3.1 短路保護(hù)開關(guān)
為半導(dǎo)體器件并聯(lián)一個(gè)電阻較小的短路保護(hù)開關(guān)是一種簡單的消浪涌方法[5]。
當(dāng)需要啟動(dòng)半導(dǎo)體器件電源時(shí)，先閉合短路保護(hù)開關(guān)，讓啟動(dòng)電源瞬間產(chǎn)生的浪涌經(jīng)短路保護(hù)開關(guān)放電，待電源工作穩(wěn)定后，斷開短路開關(guān)，穩(wěn)定的電源便可正常工作于半導(dǎo)體器件。
當(dāng)需要關(guān)閉電源時(shí)，先閉合短路保護(hù)開關(guān)，然后斷開電源開關(guān)，以避免瞬間電流浪涌損壞半導(dǎo)體器件。
實(shí)踐證明，該方法對(duì)消除開關(guān)驅(qū)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(dǎo)體器件操作員增加了一部分繁瑣的工作量，且無法消除來自外電路的浪涌所帶來的影響。
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(dǎo)體器件兩端避免突然加上階躍電壓，因?yàn)檫@種上升沿很陡的電壓，即使幅值很低，也會(huì)對(duì)半導(dǎo)體器件產(chǎn)生不良影響[6]。
圖2(a)和圖2(b)給出了有/無采取軟啟動(dòng)情況下半導(dǎo)體器件驅(qū)動(dòng)電流I隨時(shí)間t的變化。
在沒有電源軟啟動(dòng)電路的情況下接通電源開關(guān)，驅(qū)動(dòng)電源會(huì)產(chǎn)生幅度較大的電流浪涌，隨后經(jīng)過過渡過程才趨向穩(wěn)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(wěn)流電路上，而是在一定的時(shí)間內(nèi)，電流從零開始逐漸上升到正常工作值。
圖2 有/無軟啟動(dòng)情況下驅(qū)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(yīng)用，該過程可以由計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，且可靠性高，穩(wěn)定性好，但是價(jià)格比較昂貴。
實(shí)際上，對(duì)于一些簡單的、普通的半導(dǎo)體器件電源電路，只需對(duì)電源電路稍加改進(jìn)，便可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，圖3給出了一個(gè)利用RC充電原理實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體器件兩端的電壓逐漸加上，不會(huì)產(chǎn)生浪涌信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體器件帶來破壞。
4 數(shù)字電路中浪涌消除電路
在很多情況下，半導(dǎo)體器件的管腳不是通過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(jī)械振動(dòng)都會(huì)造成時(shí)通時(shí)斷而產(chǎn)生連續(xù)多個(gè)電壓浪涌。
另外，某些功能控制開關(guān)和功率調(diào)節(jié)開關(guān)接觸不良或動(dòng)作瞬間也會(huì)產(chǎn)生連續(xù)多個(gè)電壓浪涌。
在數(shù)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(dǎo)體器件兩端會(huì)影響其壽命，同時(shí)也會(huì)給系統(tǒng)帶來干擾。
圖3 電源軟啟動(dòng)電路
圖4給出了一款應(yīng)用于數(shù)字電路中具有消除連續(xù)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(hào)，K1_in和K2_in表示兩組帶有浪涌的輸入信號(hào)，K1_out和K2_out表示所對(duì)應(yīng)的經(jīng)過消浪涌后的輸出信號(hào)。
電路采用了分頻采樣、移位寄存和計(jì)算判斷方法，采用4個(gè)D觸發(fā)器連續(xù)對(duì)輸入信號(hào)K1_in進(jìn)行移位采樣，并隨時(shí)鐘信號(hào)的觸發(fā)寄存于數(shù)組K1[4..1]中。
若數(shù)組中相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)都為高電平就默認(rèn)為高電平"1"，其它情況則表示低電平"0"。
用邏輯最簡公式表示為：K1_out=K11K12+K13K14+(!K11)K12K13(!K14)。
由于半導(dǎo)體管腳和插座接觸不良或機(jī)械振動(dòng)等現(xiàn)象引起的連續(xù)電壓浪涌掃描周期一般不超過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(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)字電路中浪涌消除電路仿真波形
從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)K1_in在低電平輸入過程中連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)脈寬小于或等于10 ms的高電平浪涌時(shí)，輸出信號(hào)K1_out仍為低電平;當(dāng)輸入信號(hào)K2_in在高電平輸入過程中連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)脈度小于或等于10 ms的低電平浪涌時(shí)，輸出信號(hào)K2_out仍為高電平。
由此可知，該電路能很好地消除連續(xù)出現(xiàn)的浪涌，作為半導(dǎo)體器件浪涌消除電路可有效延長半導(dǎo)體器件壽命指標(biāo)，并具有良好的抗浪涌信號(hào)干擾的能力。
另外，從信號(hào)延時(shí)來看，該電路的輸入信號(hào)僅有5 ms的時(shí)序延時(shí)，與同類的浪涌消除或抖動(dòng)信號(hào)消除電路相比較，該延時(shí)較小。
5 結(jié) 語
隨著半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝日趨成熟，其應(yīng)用范圍已覆蓋了國防、工業(yè)、科研和民用等領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用[7，8]，因此，有必要針對(duì)它的壽命特性和延壽方法開展進(jìn)一步的研究。
文中分析了影響半導(dǎo)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(yù)防措施，分別給出了應(yīng)用于模擬電路和數(shù)字電路中的電源軟啟動(dòng)電路和連續(xù)浪涌消除電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，值得推廣。
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