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半导体器件寿命影响因素研究
半导体器件寿命影响因素研究
摘 要：浪涌和静电是影响半导体器件寿命的重要因素。
为提高半导体器件的寿命指标，文中给出了应用于模拟电路的电源软启动电路。
该电路采用了RC充电原理，可使半导体器件上的电压逐渐加上，而不会产生有损于半导体器件的浪涌;文中又给出了一款应用于数字电路中的浪涌消除电路，该电路采用了分频采样、移位寄存和计算判断方法，可有效消除因控制开关或器件管脚接触不良产生的高低电平交替出现的浪涌信号，该设计与同类浪涌消除或抖动信号消除电路相比，其时序延时仅为5 ms。
关键词：半导体器件;寿命;浪涌;静电;软启动;消浪涌电路
0 引 言
随着半导体器件的广泛使用，其寿命指标受到业界普遍关注。
半导体器件寿命的延续是一种性能退化过程，最终导致失效[1]。
造成这种退化的原因很多，如人为使用不当、浪涌和静电击穿等，但通过一定的预防措施和增加必要的附加电路可以有效延长半导体器件的寿命。
1 半导体器件的退化和失效
大量试验表明，半导体器件的失效随时间的统计分布规律呈浴盆状，如图1所示。
失效期包括早期的快速退化失效、中期的偶然失效与后期的快速损耗失效。
早期快速失效一般是由半导体材料本身原因造成;中期偶然失效期的时域较宽，在此期间导致半导体器件失效的原因具有一定的偶然性;后期失效概率较高，主要由各种损耗积累与综合爆发引起[2]。
由此可知，只要通过初期的严格筛选，同时加强质量管理和改进生产工艺，防止偶然失效，半导体器件就能获得较长的寿命[3]。
图1 半导体器件失效期随时间的分布
2 半导体器件寿命影响因素及预防措施
PN结是半导体器件的核心，对电压冲击的承受能力很差，一旦被击穿，便无法产生非平衡载流子。
在使用过程中，半导体器件的损坏多半是由浪涌或静电击穿造成的。
浪涌是一种突发性的瞬间电信号脉冲，具有很强的随机性，一般表现为尖脉冲，脉宽很窄，但峰值较高，容易使半导体器件瞬时过压造成PN结击穿，即使不致于一次性使半导体器件产生完全失效，但在多次浪涌的冲击下也会加速它的性能退化和最终失效[4]。
在电路的使用过程中，出现比较多的浪涌是开启或关断电源时抑或器件接触不良时产生的电压/电流冲击，以及由于电网波动或其它大功率电器启动而产生的电压/电流冲击。
另外，静电也是造成PN结损坏或击穿的重要原因。
表1给出了产生浪涌和静电的几种常见原因及其特征和预防措施。
3 模拟电路中浪涌消除电路
3.1 短路保护开关
为半导体器件并联一个电阻较小的短路保护开关是一种简单的消浪涌方法[5]。
当需要启动半导体器件电源时，先闭合短路保护开关，让启动电源瞬间产生的浪涌经短路保护开关放电，待电源工作稳定后，断开短路开关，稳定的电源便可正常工作于半导体器件。
当需要关闭电源时，先闭合短路保护开关，然后断开电源开关，以避免瞬间电流浪涌损坏半导体器件。
实践证明，该方法对消除开关驱动电源时瞬间产生的电压/电流浪涌冲击是可行的。
但也存在不足，即该方法不仅给半导体器件操作员增加了一部分繁琐的工作量，且无法消除来自外电路的浪涌所带来的影响。
3.2 电源软启动电路
为解决以上不足，可采用电源软启动电路，该电路不但可以消除电源启动/关闭瞬间产生的浪涌，还可以保证半导体器件两端避免突然加上阶跃电压，因为这种上升沿很陡的电压，即使幅值很低，也会对半导体器件产生不良影响[6]。
图2(a)和图2(b)给出了有/无采取软启动情况下半导体器件驱动电流I随时间t的变化。
在没有电源软启动电路的情况下接通电源开关，驱动电源会产生幅度较大的电流浪涌，随后经过过渡过程才趋向稳定。
采用电源软启动电路之后，工作电压不会瞬间加在整个稳流电路上，而是在一定的时间内，电流从零开始逐渐上升到正常工作值。
图2 有/无软启动情况下驱动电流I与时间t的关系
软启动电路在电源电路中已得到了广泛应用，该过程可以由计算机控制实现，且可靠性高，稳定性好，但是价格比较昂贵。
实际上，对于一些简单的、普通的半导体器件电源电路，只需对电源电路稍加改进，便可实现软启动，图3给出了一个利用RC充电原理实现软启动的电源电路，电路中的R1、C7、C8、Q1、Q2为电压缓慢上升电路，电路两边增加了两个π型滤波器电路，防止电流突变。
该软启动电路可以使得半导体器件两端的电压逐渐加上，不会产生浪涌信号对半导体器件带来破坏。
4 数字电路中浪涌消除电路
在很多情况下，半导体器件的管脚不是通过焊接而是直接插入管座中，然而管脚和插座接触不良或者机械振动都会造成时通时断而产生连续多个电压浪涌。
另外，某些功能控制开关和功率调节开关接触不良或动作瞬间也会产生连续多个电压浪涌。
在数字电路中，这些电压浪涌幅值较低(波形表示为短脉宽的高/低电平"1"和"0")，这些浪涌边沿很陡，呈高低电平交替状态，若未经处理直接将它加在半导体器件两端会影响其寿命，同时也会给系统带来干扰。
图3 电源软启动电路
图4给出了一款应用于数字电路中具有消除连续多个电压浪涌功能的电路。
电路中的CLNR是触发器清零信号，K1_in和K2_in表示两组带有浪涌的输入信号，K1_out和K2_out表示所对应的经过消浪涌后的输出信号。
电路采用了分频采样、移位寄存和计算判断方法，采用4个D触发器连续对输入信号K1_in进行移位采样，并随时钟信号的触发寄存于数组K1[4..1]中。
若数组中相邻两个数据都为高电平就默认为高电平"1"，其它情况则表示低电平"0"。
用逻辑最简公式表示为：K1_out=K11K12+K13K14+(!K11)K12K13(!K14)。
由于半导体管脚和插座接触不良或机械振动等现象引起的连续电压浪涌扫描周期一般不超过10 ms，因此电路中采用了频率为200 Hz、周期为5 ms的clk_200时钟信号进行数据移位寄存。
图5给出了该电路在Quartus II 环境下的仿真波形。
图5 数字电路中浪涌消除电路仿真波形
从仿真结果可以看出，当输入信号K1_in在低电平输入过程中连续出现多个脉宽小于或等于10 ms的高电平浪涌时，输出信号K1_out仍为低电平;当输入信号K2_in在高电平输入过程中连续出现多个脉度小于或等于10 ms的低电平浪涌时，输出信号K2_out仍为高电平。
由此可知，该电路能很好地消除连续出现的浪涌，作为半导体器件浪涌消除电路可有效延长半导体器件寿命指标，并具有良好的抗浪涌信号干扰的能力。
另外，从信号延时来看，该电路的输入信号仅有5 ms的时序延时，与同类的浪涌消除或抖动信号消除电路相比较，该延时较小。
5 结 语
随着半导体器件生产工艺日趋成熟，其应用范围已覆盖了国防、工业、科研和民用等领域，并发挥着重要的作用[7，8]，因此，有必要针对它的寿命特性和延寿方法开展进一步的研究。
文中分析了影响半导体器件寿命的主要原因，讨论了浪涌和静电的特点及其预防措施，分别给出了应用于模拟电路和数字电路中的电源软启动电路和连续浪涌消除电路，电路结构简单，性能良好，值得推广。
参考文献
[1] 赵霞，吴金，姚建楠.基于失效机理的半导体器件寿命模型研究[J].可靠性物理与失效分析技术，2007，25(6)：15-18.
[2] 李适民，黄维玲.激光器原理与设计[M].北京：国防工业出版社，2005.
[3] 刘婧，吕长志，李志国，等.电子元器件加速寿命试验方法的比较[J].半导体技术，2006，31(9)：680-683.
[4] 黄德修.半导体光电子学[M].北京：电子工业出版社，2013.
[5] 罗文超，徐钊，盛祥佐.一种基于DDS的QPSK调制器及其FPGA实现[J].电讯技术，2007，47(4)：156-158.
[6] Suematsu Y， Adams A R. Handbook of semiconductor lasers and Photonic Intergrated circuits[M]. Springer：1994.
[7] 路国光，黄云，雷志峰.单bar大功率半导体激光器寿命评价技术[J].红外与激光工程，2012，41(9)：2328-2332.
[8] 卢杰， 邝小飞.频率抖动技术在开关电源振荡器中的实现[J].物联网技术，2014，4(12)：39-40.
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