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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，而不會產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關或器件管腳接觸不良產生的高低電平交替出現的浪涌信號，該設計與同類浪涌消除或抖動信號消除電路相比，其時序延時僅為5 ms。
關鍵詞：半導體器件;壽命;浪涌;靜電;軟啟動;消浪涌電路
0 引 言
隨著半導體器件的廣泛使用，其壽命指標受到業界普遍關注。
半導體器件壽命的延續是一種性能退化過程，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，但通過一定的預防措施和增加必要的附加電路可以有效延長半導體器件的壽命。
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引起[2]。
由此可知，只要通過初期的嚴格篩選，同時加強質量管理和改進生產工藝，防止偶然失效，半導體器件就能獲得較長的壽命[3]。
圖1 半導體器件失效期隨時間的分布
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，便無法產生非平衡載流子。
在使用過程中，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過壓造成PN結擊穿，即使不致于一次性使半導體器件產生完全失效，但在多次浪涌的沖擊下也會加速它的性能退化和最終失效[4]。
在電路的使用過程中，出現比較多的浪涌是開啟或關斷電源時抑或器件接觸不良時產生的電壓/電流沖擊，以及由于電網波動或其它大功率電器啟動而產生的電壓/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給出了產生浪涌和靜電的幾種常見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 短路保護開關
為半導體器件并聯一個電阻較小的短路保護開關是一種簡單的消浪涌方法[5]。
當需要啟動半導體器件電源時，先閉合短路保護開關，讓啟動電源瞬間產生的浪涌經短路保護開關放電，待電源工作穩定后，斷開短路開關，穩定的電源便可正常工作于半導體器件。
當需要關閉電源時，先閉合短路保護開關，然后斷開電源開關，以避免瞬間電流浪涌損壞半導體器件。
實踐證明，該方法對消除開關驅動電源時瞬間產生的電壓/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，且無法消除來自外電路的浪涌所帶來的影響。
3.2 電源軟啟動電路
為解決以上不足，可采用電源軟啟動電路，該電路不但可以消除電源啟動/關閉瞬間產生的浪涌，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，也會對半導體器件產生不良影響[6]。
圖2(a)和圖2(b)給出了有/無采取軟啟動情況下半導體器件驅動電流I隨時間t的變化。
在沒有電源軟啟動電路的情況下接通電源開關，驅動電源會產生幅度較大的電流浪涌，隨后經過過渡過程才趨向穩定。
采用電源軟啟動電路之后，工作電壓不會瞬間加在整個穩流電路上，而是在一定的時間內，電流從零開始逐漸上升到正常工作值。
圖2 有/無軟啟動情況下驅動電流I與時間t的關系
軟啟動電路在電源電路中已得到了廣泛應用，該過程可以由計算機控制實現，且可靠性高，穩定性好，但是價格比較昂貴。
實際上，對于一些簡單的、普通的半導體器件電源電路，只需對電源電路稍加改進，便可實現軟啟動，圖3給出了一個利用RC充電原理實現軟啟動的電源電路，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π型濾波器電路，防止電流突變。
該軟啟動電路可以使得半導體器件兩端的電壓逐漸加上，不會產生浪涌信號對半導體器件帶來破壞。
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都會造成時通時斷而產生連續多個電壓浪涌。
另外，某些功能控制開關和功率調節開關接觸不良或動作瞬間也會產生連續多個電壓浪涌。
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，若未經處理直接將它加在半導體器件兩端會影響其壽命，同時也會給系統帶來干擾。
圖3 電源軟啟動電路
圖4給出了一款應用于數字電路中具有消除連續多個電壓浪涌功能的電路。
電路中的CLNR是觸發器清零信號，K1_in和K2_in表示兩組帶有浪涌的輸入信號，K1_out和K2_out表示所對應的經過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D觸發器連續對輸入信號K1_in進行移位采樣，并隨時鐘信號的觸發寄存于數組K1[4..1]中。
若數組中相鄰兩個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等現象引起的連續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時鐘信號進行數據移位寄存。
圖5給出了該電路在Quartus II 環境下的仿真波形。
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在低電平輸入過程中連續出現多個脈寬小于或等于10 ms的高電平浪涌時，輸出信號K1_out仍為低電平;當輸入信號K2_in在高電平輸入過程中連續出現多個脈度小于或等于10 ms的低電平浪涌時，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，從信號延時來看，該電路的輸入信號僅有5 ms的時序延時，與同類的浪涌消除或抖動信號消除電路相比較，該延時較小。
5 結 語
隨著半導體器件生產工藝日趨成熟，其應用范圍已覆蓋了國防、工業、科研和民用等領域，并發揮著重要的作用[7，8]，因此，有必要針對它的壽命特性和延壽方法開展進一步的研究。
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電路和連續浪涌消除電路，電路結構簡單，性能良好，值得推廣。
參考文獻
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