半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)介紹

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)介紹華潤(rùn)華晶產(chǎn)品與技術(shù)中心2010年10月Fab5SiliconFabPlant3Fab2R&DCenterMarketing&SaleDeptAdministrationDeptsFloor2&3TestPlant

目錄一、器件基礎(chǔ)知識(shí)二、器件特性介紹三、晶體管可靠性分析聯(lián)系方式

VDMOS產(chǎn)品設(shè)計(jì)師唐紅祥tanghy@

雙極型晶體管設(shè)計(jì)師

何飛hef@

應(yīng)用工程師呂文生luws@1、半導(dǎo)體的基本概念半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。物質(zhì)的導(dǎo)電能力一般用電阻率ρ來(lái)表示。單位是Ω-cm。一、器件基礎(chǔ)知識(shí)2、半導(dǎo)體的基本特性熱敏特性——隨著溫度的升高，半導(dǎo)體的電阻率減小，導(dǎo)電能力明顯的增強(qiáng)。光敏特性——受到光線照射后，半導(dǎo)體的電阻率減小，導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。雜質(zhì)導(dǎo)電特性——在純凈的半導(dǎo)體中，加入微量的某些其它元素（稱之為“摻雜”），可以使它的導(dǎo)電能力成百萬(wàn)倍的提高。一、器件基礎(chǔ)知識(shí)3、半導(dǎo)體的分類(lèi)按化學(xué)成分——元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體按是否含有雜質(zhì)——本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體按導(dǎo)電類(lèi)型——N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體按原子排列的情況——單晶和多晶一、器件基礎(chǔ)知識(shí)4、半導(dǎo)體器件二極管整流二極管、開(kāi)關(guān)二極管、發(fā)光二極管……三極管（晶體管）雙極型晶體管、MOS型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）……晶閘管集成電路一、器件基礎(chǔ)知識(shí)一、器件基礎(chǔ)知識(shí)5、雙極型晶體管晶體管是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體器件之一。晶體管：內(nèi)部含有兩個(gè)PN結(jié)外部通常有三個(gè)引出電極－－集電極、基極、發(fā)射極它對(duì)電信號(hào)有放大和開(kāi)關(guān)等作用，應(yīng)用十分廣泛。

一、器件基礎(chǔ)知識(shí)6、雙極型晶體管的種類(lèi)按半導(dǎo)體材料分類(lèi)硅材料晶體管、鍺材料晶體管、化合物材料晶體管按極性分類(lèi)

NPN型晶體管、PNP晶體管按結(jié)構(gòu)及制造工藝分類(lèi)臺(tái)面型晶體管、平面型晶體管。一、器件基礎(chǔ)知識(shí)6、雙極型晶體管的種類(lèi)按電流容量及功率分類(lèi)小功率晶體管、中功率晶體管、大功率晶體管。按工作頻率分類(lèi)低頻晶體管、高頻晶體管、超高頻晶體管。按封裝結(jié)構(gòu)分類(lèi)金屬封裝（簡(jiǎn)稱金封）晶體管、塑料封裝（簡(jiǎn)稱塑封）晶體管、玻璃殼封裝（簡(jiǎn)稱玻封）晶體管、陶瓷封裝晶體管、表面封裝（片狀）晶體管一、器件基礎(chǔ)知識(shí)6、雙極型晶體管的分類(lèi)按功能和用途分類(lèi)低噪聲放大晶體管、中高頻放大晶體管、低頻放大晶體管、微波晶體管、開(kāi)關(guān)晶體管、達(dá)林頓晶體管、高反壓晶體管、光敏晶體管、磁敏晶體管等多種類(lèi)型。

一、器件基礎(chǔ)知識(shí)7、雙極型晶體管的命名規(guī)則例：3DD13003F6D企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：有D表示內(nèi)部CE極間集成有二極管企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：封裝外形代碼,其中1代表TO-92,6代表TO-126，3代表TO-251,4代表TO-252，7代表TO-126,8代表TO-220AB,9代表TO-220F企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)應(yīng)不同芯片版圖，本例中F對(duì)應(yīng)3DD1147E芯片企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)應(yīng)不同產(chǎn)品序列型號(hào)國(guó)標(biāo)：對(duì)應(yīng)不同類(lèi)型產(chǎn)品，其中X-低頻小功率，G-高頻小功率，D-低頻大功率，A-高頻大功率國(guó)標(biāo)：對(duì)應(yīng)不同材料和極性，其中A-PNP型鍺材料，B-NPN型鍺材料，C-PNP型硅材料，D-NPN型硅材料國(guó)標(biāo)：用數(shù)字表示半導(dǎo)體器件有效電極數(shù)目，3-三極管，2-二極管一、器件基礎(chǔ)知識(shí)8、MOS型晶體管

MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管它不象雙極型晶體管由兩個(gè)PN結(jié)組成，而是由金屬、氧化物、半導(dǎo)體三種材料組成的器件。三個(gè)電極：G(柵極)、S(源極)、D(漏極)按不同的結(jié)構(gòu)及工藝：VMOS、DMOS、TMOS、LDMOS等

一、器件基礎(chǔ)知識(shí)9、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

Insulated

GateBipolarTransistorMOS晶體管和雙極型晶體管組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)器件兼具M(jìn)OS晶體管的快速開(kāi)關(guān)特性和雙極型晶體管的大電流特性

1、二極管二極管的基本構(gòu)成由一個(gè)P-N結(jié)組成二極管的電學(xué)符號(hào)：二、器件特性介紹二、器件特性介紹二極管的特性曲線（伏安特性）實(shí)際上就是P-N結(jié)的正向特性VF

反向特性VR、IR2、晶體管ICM—集電極最大直流電流（單位：A）Tjm—最高結(jié)溫（P-N結(jié)所能承受的最高溫度）

Tjm的大小與半導(dǎo)體材料的性質(zhì)、電阻率、制造工藝有關(guān)。對(duì)硅晶體管來(lái)說(shuō)，Tjm=150~200℃Ptot（Pcm）—最大耗散功率二、器件特性介紹

二、器件特性介紹VCEO－－集電極發(fā)射極電壓體現(xiàn)了晶體管C、E間的電壓承受能力。大小主要取決于硅材料規(guī)格，和hFE大小有關(guān)。晶體管芯片面積一定時(shí)，ICM和VCEO呈負(fù)比例關(guān)系。VCBO－－集電極基極電壓

體現(xiàn)了晶體管C、B間的的電壓承受能力。

大小主要取決于硅材料規(guī)格。

晶體管芯片面積一定時(shí)，ICM和VCEO呈負(fù)比例關(guān)系。

二、器件特性介紹

VEBO－－發(fā)射極基極電壓

體現(xiàn)了晶體管E、B間的電壓承受能力

主要受設(shè)計(jì)和制造工藝的影響，一般沒(méi)有特別要求。

在電子鎮(zhèn)流器線路應(yīng)用中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)瞬間超過(guò)VEBO的窄脈沖情況，由于晶體管的反向擊穿具有可恢復(fù)性，一般不會(huì)影響其性能和可靠性。

二、器件特性介紹漏電流ICBO、IEBO、ICEO

ICBO、IEBO、ICEO顯示晶體管反向截止時(shí)的漏電情況，反映了工藝線的制造水平。

ICBO，IEBO一般要求小于1μA，華晶產(chǎn)品典型值在nA級(jí)。

ICEO理論上等于ICBO擴(kuò)大hFE的倍數(shù)，一般小于10μA。

二、器件特性介紹hFE－－電流增益（電流放大倍數(shù)）

理論上，hFE

應(yīng)盡可能大，以便于用較小的基極電流控制較大的集電極電流，可以減少驅(qū)動(dòng)損耗。但開(kāi)關(guān)速度、電流特性、VCEO等限制了hFE的范圍。

一般燈用晶體管選用：15~30

電源類(lèi)用晶體管選用：20~40

二、器件特性介紹VCE（sat)－－集電極－發(fā)射極飽和電壓體現(xiàn)了晶體管導(dǎo)通飽和時(shí)C、E間電壓情況由于伴隨著大電流狀態(tài)，該電壓越小越好。在其它參數(shù)要求不變情況下，為了得到較小的VCE(sat)需要更大芯片面積。

二、器件特性介紹晶體管的基本開(kāi)關(guān)電路

二、器件特性介紹晶體管的開(kāi)關(guān)參數(shù)a：延遲時(shí)間td：從輸入信號(hào)VIN開(kāi)始變正起，到集電極電流IC上升到最大值ICM的10%所需時(shí)間。b：上升時(shí)間tr：集電極電流IC從10%ICM上升到90%ICM所需要的時(shí)間。c：儲(chǔ)存時(shí)間ts：從輸入信號(hào)VIN開(kāi)始變負(fù)起，到集電極電流IC開(kāi)始下降到90%ICM所需要的時(shí)間。d：下降時(shí)間tf：集電極電流IC從90%ICM下降到10%ICM所需要的時(shí)間。延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和，代表晶體管由關(guān)斷狀態(tài)過(guò)渡到導(dǎo)通狀態(tài)所需要的時(shí)間，我們將其稱為開(kāi)啟時(shí)間，用ton表示，即ton=td+tr

儲(chǔ)存時(shí)間與下降時(shí)間之和，代表晶體管由導(dǎo)通狀態(tài)過(guò)渡到關(guān)斷狀態(tài)所需要的時(shí)間，我們將其稱為關(guān)斷時(shí)間，用toff表示，即toff=ts+tf

二、器件特性介紹ts——儲(chǔ)存時(shí)間tf——下降時(shí)間

ts

和tf

是晶體管的兩個(gè)重要的時(shí)間參數(shù)不同使用場(chǎng)合、不同線路設(shè)計(jì)對(duì)晶體管ts、

tf的要求范圍是不同的。

二、器件特性介紹晶體管的開(kāi)關(guān)參數(shù)與環(huán)境溫度密切相關(guān)，目前大多數(shù)照明企業(yè)采用杭州伏達(dá)的UI9600系列儀器進(jìn)行測(cè)試交收。由于存在測(cè)試儀器的誤差、環(huán)境溫度的差異，故ts參數(shù)交收的不對(duì)檔是必然的，應(yīng)該允許有一定范圍的誤差存在。另外由于ts

值是隨著IC測(cè)試電流的增加非線性減小的，故一個(gè)品種用規(guī)定的測(cè)試電流進(jìn)行ts測(cè)試分檔后若交收采用不同的IC測(cè)試電流交收就有可能增大樣品間的相對(duì)差異。功率器件各參數(shù)之間關(guān)系VCEOVCBOICBOICEOICMtstfVCEO↑

∕↑↓↓↓∕↑hFE↑↓∕∕↑∕↑↑芯片面積↑∕∕↑↑↑↑↓晶體管各參數(shù)之間存在矛盾，又統(tǒng)一在一個(gè)器件之內(nèi)。由于受成本、晶體管理論、制造工藝等因數(shù)的限制，在矛盾體中選擇合適參數(shù)、用戶好用的產(chǎn)品才是最好的產(chǎn)品。

二、器件特性介紹晶體管有三種工作狀態(tài)，即放大、截止和飽和。三種工作狀態(tài)在其輸出特性曲線上分別處于三個(gè)不同的區(qū)域。晶體管應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電路中，一旦選定了電源電壓VCC和負(fù)載RL，就可以畫(huà)出負(fù)載線。負(fù)載線與橫軸VCE的交點(diǎn)是VCC，與縱軸IC的交點(diǎn)是VCC/RL，負(fù)載線斜率的倒數(shù)等于RL。

二、器件特性介紹

晶體管的工作狀態(tài)對(duì)于NPN型晶體管，如果發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均為反向偏置，或發(fā)射結(jié)零偏置，即VBE≤0，VBC<0，集電極電流幾乎為零，只有一個(gè)很小的反向漏電流ICEO=（1+β）ICBO，晶體管的工作狀態(tài)處于負(fù)載線上的M點(diǎn)。此情況下晶體管集電極電壓接近于電源電壓，即VCE≈VCC，晶體管C-E之間呈現(xiàn)高阻抗，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。 當(dāng)晶體管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置而集電結(jié)處于反向偏置時(shí)，即VBE>0，VBC<0，晶體管工作點(diǎn)由M移向Q點(diǎn)，進(jìn)入放大狀態(tài)。在此情況下，只要給晶體管的基極注入一個(gè)較小的電流IB，在集電極則獲得βIB大小的放大了的電流，滿足ΔIC=βΔIB放大規(guī)律，IC與RL，VCC無(wú)關(guān)。 如果晶體管基極驅(qū)動(dòng)電流足夠大，IB≥ICM/β，發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均處于正向偏置，IB增加，IC不再增加，工作點(diǎn)沿負(fù)載線移動(dòng)到N點(diǎn)，進(jìn)入飽和區(qū)。晶體管上的壓降等于飽和壓降VCES，呈現(xiàn)低阻抗，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“接通”。

二、器件特性介紹晶體管的工作狀態(tài)

二、器件特性介紹晶體管的開(kāi)關(guān)損耗a：通態(tài)損耗：當(dāng)晶體管飽和導(dǎo)通時(shí)，雖然有較大的集電極電流ICES流過(guò)管子，但這時(shí)的晶體管飽和壓降VCES很小，接近于零，故此時(shí)管子的功率損耗很?。↖CES×VCES

），其變化余地不大。b：斷態(tài)損耗：當(dāng)晶體管截止時(shí)，雖然VCE很大（等于直流電源電壓），但管子的漏電流ICEO很小，故此時(shí)的管耗（VCE×ICEO），非常小，這部分功耗是微不足道的。c：開(kāi)關(guān)損耗：該損耗是指晶體管由飽和轉(zhuǎn)換為截止或由截止轉(zhuǎn)換為飽和時(shí)的損耗，這種損耗也稱為渡越損耗。在晶體管開(kāi)啟和關(guān)閉這兩段時(shí)間內(nèi)，晶體管壓降和電流都比較大，因此管耗較大，占整個(gè)管耗的比重也比較大。對(duì)于一般重復(fù)頻率不太高的脈沖，開(kāi)關(guān)時(shí)間相對(duì)較短，因此在每個(gè)周期內(nèi)，晶體管的平均功耗并不明顯。但對(duì)于高頻電子鎮(zhèn)流器來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)管的渡越損耗在晶體管整個(gè)耗散功率中所占比重較大，而且與電路參數(shù)的選擇有很大關(guān)系。開(kāi)關(guān)晶體管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)合理與否，直接關(guān)系到晶體管的溫升程度、轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。

二、器件特性介紹雙極型晶體管從高阻區(qū)突然轉(zhuǎn)變到低阻區(qū)和從高壓區(qū)迅速轉(zhuǎn)變到低壓區(qū)的現(xiàn)象，稱為“二次擊穿”，簡(jiǎn)稱S/B。二次擊穿也叫做負(fù)阻擊穿。二次擊穿是影響功率開(kāi)關(guān)晶體管安全工作的重要因素，是造成晶體管毀壞的重要原因。晶體管發(fā)射結(jié)零偏壓時(shí)的擊穿曲線如右圖所示。當(dāng)集電結(jié)外加反向偏壓逐漸增大到某一數(shù)值時(shí)，集電極電流急劇增加，出現(xiàn)一次擊穿現(xiàn)象：當(dāng)集電結(jié)反向偏壓進(jìn)一步增大，在IC增大到臨界值（右圖中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的IC

）時(shí)，晶體管集電極與發(fā)射極之間的電壓突然降低，IC繼續(xù)增長(zhǎng)，呈現(xiàn)為負(fù)阻特性，這個(gè)現(xiàn)象就是二次擊穿。晶體管的二次擊穿特性晶體管的二次擊穿特性

二、器件特性介紹整個(gè)二次擊穿過(guò)程發(fā)生在毫秒或微秒時(shí)間范圍內(nèi)，是一種破壞性的不可逆擊穿，如果沒(méi)有保護(hù)電路，晶體管會(huì)被燒毀，并且一般表現(xiàn)為C-E短路，常稱做C-E穿通。晶體管發(fā)射結(jié)無(wú)論處在何種偏置都會(huì)發(fā)生二次擊穿，右圖示出了發(fā)射結(jié)正向、零和反向三種不同的偏置情況下發(fā)生二次擊穿時(shí)的伏安特性。引起二次擊穿的物理過(guò)程多數(shù)認(rèn)為是由于晶體管內(nèi)部出現(xiàn)電流局部集中而形成的“熱點(diǎn)”引起的。過(guò)熱點(diǎn)處的電流會(huì)進(jìn)一步增加，勢(shì)必導(dǎo)致該點(diǎn)溫度進(jìn)一步上升，最終會(huì)發(fā)生熱電擊穿或熱擊穿。欲提高晶體管二次擊穿的性能，除了在設(shè)計(jì)和工藝上采取相應(yīng)的措施外，在實(shí)際應(yīng)用中可以加設(shè)散熱片并設(shè)計(jì)保護(hù)電路，以防止晶體管早期失效。

二、器件特性介紹晶體管的安全工作區(qū)（SOA）晶體管的安全工作區(qū)，在大電流區(qū)，其邊界由集電極最大允許電流ICM線組成；在高壓區(qū)，安全工作區(qū)邊界由集電極最大允許電壓BVCEO線組成；在低壓大電流區(qū)，安全工作區(qū)由集電極最大耗散功率PCM=IC×VCE線界定；在高壓小電流區(qū)，則由二次擊穿功耗PSB線決定的。晶體管的安全工作區(qū)是由上述4條曲線所圍成的。三、晶體管可靠性分析1、影響晶體管可靠性的因素2、芯片可靠性保證3、應(yīng)用中的可靠性保證4、晶體管失效分析流程1、影響晶體管可靠性的因素1）內(nèi)因方面：設(shè)計(jì)缺陷（版圖結(jié)構(gòu)分布、線條間距、線條寬度等）芯片制造缺陷（氧化層質(zhì)量、光刻質(zhì)量、表面鈍化層質(zhì)量、背面金屬化質(zhì)量、劃片質(zhì)量、環(huán)境潔凈度、純水質(zhì)量等）成品組裝缺陷（背面接觸、鍵合質(zhì)量、應(yīng)力釋放、參數(shù)篩選等）。2）外因方面：存儲(chǔ)、運(yùn)輸及使用過(guò)程中的環(huán)境條件：氣候環(huán)境條件（溫度、濕度、氣壓）、機(jī)械環(huán)境條件（扭矩過(guò)大、振動(dòng)、沖擊、離心力、失重、碰撞、跌落加速度）、化學(xué)條件（腐蝕性氣體、酸蝕等）線路匹配狀況：工作點(diǎn)的選取、輸入輸出阻抗的匹配、上下管參數(shù)一致性的控制等。2、芯片可靠性保證1）合理的版圖設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接決定了產(chǎn)品的性能和可靠性的優(yōu)劣；合理的布局可使電流分布均勻，工作時(shí)熱流均勻穩(wěn)定；版圖和工藝能力的良好匹配可減少制造過(guò)程中的缺陷。2）工藝制造工藝方法、工藝水平不僅決定了產(chǎn)品性能的一致性和穩(wěn)定性，而且也決定了產(chǎn)品可靠性的高低。A）光刻圖形的完整性。針孔、小島、鋸齒等不良現(xiàn)象都會(huì)降低產(chǎn)品的可靠性。B）表面鈍化，就是如何使SiO2層中鈉離子數(shù)量控制在允許的水平，并能在使用條件下保持使SiO2層中可動(dòng)鈉離子數(shù)量穩(wěn)定不變。3、應(yīng)用中的可靠性保證1）選擇的晶體管要有足夠安全余量晶體管制造過(guò)程中的性能保證只是正常應(yīng)用的前提，由于線路中各個(gè)元器件參數(shù)及性能的離散在所難免，并且開(kāi)關(guān)瞬間存在著較大的浪涌電流和反峰電壓。要使晶體管在線路中能穩(wěn)定可靠地工作，選用時(shí)必須保證在耐壓、電流輸出方面留有足夠的余量。保證