半導體基礎知識介紹華潤華晶產品與技術中心2010年10月Fab5SiliconFabPlant3Fab2R&DCenterMarketing&SaleDeptAdministrationDeptsFloor2&3TestPlant

目錄一、器件基礎知識二、器件特性介紹三、晶體管可靠性分析聯系方式

VDMOS產品設計師唐紅祥tanghy@

雙極型晶體管設計師

何飛hef@

應用工程師呂文生luws@1、半導體的基本概念半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的物質。物質的導電能力一般用電阻率ρ來表示。單位是Ω-cm。一、器件基礎知識2、半導體的基本特性熱敏特性——隨著溫度的升高，半導體的電阻率減小，導電能力明顯的增強。光敏特性——受到光線照射后，半導體的電阻率減小，導電能力大大增強。雜質導電特性——在純凈的半導體中，加入微量的某些其它元素（稱之為“摻雜”），可以使它的導電能力成百萬倍的提高。一、器件基礎知識3、半導體的分類按化學成分——元素半導體和化合物半導體按是否含有雜質——本征半導體和雜質半導體按導電類型——N型半導體和P型半導體按原子排列的情況——單晶和多晶一、器件基礎知識4、半導體器件二極管整流二極管、開關二極管、發光二極管……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、器件基礎知識一、器件基礎知識5、雙極型晶體管晶體管是應用最廣泛的半導體器件之一。晶體管：內部含有兩個PN結外部通常有三個引出電極－－集電極、基極、發射極它對電信號有放大和開關等作用，應用十分廣泛。

一、器件基礎知識6、雙極型晶體管的種類按半導體材料分類硅材料晶體管、鍺材料晶體管、化合物材料晶體管按極性分類

NPN型晶體管、PNP晶體管按結構及制造工藝分類臺面型晶體管、平面型晶體管。一、器件基礎知識6、雙極型晶體管的種類按電流容量及功率分類小功率晶體管、中功率晶體管、大功率晶體管。按工作頻率分類低頻晶體管、高頻晶體管、超高頻晶體管。按封裝結構分類金屬封裝（簡稱金封）晶體管、塑料封裝（簡稱塑封）晶體管、玻璃殼封裝（簡稱玻封）晶體管、陶瓷封裝晶體管、表面封裝（片狀）晶體管一、器件基礎知識6、雙極型晶體管的分類按功能和用途分類低噪聲放大晶體管、中高頻放大晶體管、低頻放大晶體管、微波晶體管、開關晶體管、達林頓晶體管、高反壓晶體管、光敏晶體管、磁敏晶體管等多種類型。

一、器件基礎知識7、雙極型晶體管的命名規則例：3DD13003F6D企業標準：有D表示內部CE極間集成有二極管企業標準：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企業標準：對應不同芯片版圖，本例中F對應3DD1147E芯片企業標準：對應不同產品序列型號國標：對應不同類型產品，其中X-低頻小功率，G-高頻小功率，D-低頻大功率，A-高頻大功率國標：對應不同材料和極性，其中A-PNP型鍺材料，B-NPN型鍺材料，C-PNP型硅材料，D-NPN型硅材料國標：用數字表示半導體器件有效電極數目，3-三極管，2-二極管一、器件基礎知識8、MOS型晶體管

MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor金屬氧化物半導體場效應晶體管它不象雙極型晶體管由兩個PN結組成，而是由金屬、氧化物、半導體三種材料組成的器件。三個電極：G(柵極)、S(源極)、D(漏極)按不同的結構及工藝：VMOS、DMOS、TMOS、LDMOS等

一、器件基礎知識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合結構器件兼具MOS晶體管的快速開關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成由一個P-N結組成二極管的電學符號：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）實際上就是P-N結的正向特性VF

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

Tjm的大小與半導體材料的性質、電阻率、制造工藝有關。對硅晶體管來說，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－－集電極發射極電壓體現了晶體管C、E間的電壓承受能力。大小主要取決于硅材料規格，和hFE大小有關。晶體管芯片面積一定時，ICM和VCEO呈負比例關系。VCBO－－集電極基極電壓

體現了晶體管C、B間的的電壓承受能力。

大小主要取決于硅材料規格。

晶體管芯片面積一定時，ICM和VCEO呈負比例關系。

二、器件特性介紹

VEBO－－發射極基極電壓

體現了晶體管E、B間的電壓承受能力

主要受設計和制造工藝的影響，一般沒有特別要求。

在電子鎮流器線路應用中有時會出現啟動瞬間超過VEBO的窄脈沖情況，由于晶體管的反向擊穿具有可恢復性，一般不會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，華晶產品典型值在nA級。

ICEO理論上等于ICBO擴大hFE的倍數，一般小于10μA。

二、器件特性介紹hFE－－電流增益（電流放大倍數）

理論上，hFE

應盡可能大，以便于用較小的基極電流控制較大的集電極電流，可以減少驅動損耗。但開關速度、電流特性、VCEO等限制了hFE的范圍。

一般燈用晶體管選用：15~30

電源類用晶體管選用：20~40

二、器件特性介紹VCE（sat)－－集電極－發射極飽和電壓體現了晶體管導通飽和時C、E間電壓情況由于伴隨著大電流狀態，該電壓越小越好。在其它參數要求不變情況下，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關電路

二、器件特性介紹晶體管的開關參數a：延遲時間td：從輸入信號VIN開始變正起，到集電極電流IC上升到最大值ICM的10%所需時間。b：上升時間tr：集電極電流IC從10%ICM上升到90%ICM所需要的時間。c：儲存時間ts：從輸入信號VIN開始變負起，到集電極電流IC開始下降到90%ICM所需要的時間。d：下降時間tf：集電極電流IC從90%ICM下降到10%ICM所需要的時間。延遲時間與上升時間之和，代表晶體管由關斷狀態過渡到導通狀態所需要的時間，我們將其稱為開啟時間，用ton表示，即ton=td+tr

儲存時間與下降時間之和，代表晶體管由導通狀態過渡到關斷狀態所需要的時間，我們將其稱為關斷時間，用toff表示，即toff=ts+tf

二、器件特性介紹ts——儲存時間tf——下降時間

ts

和tf

是晶體管的兩個重要的時間參數不同使用場合、不同線路設計對晶體管ts、

tf的要求范圍是不同的。

二、器件特性介紹晶體管的開關參數與環境溫度密切相關，目前大多數照明企業采用杭州伏達的UI9600系列儀器進行測試交收。由于存在測試儀器的誤差、環境溫度的差異，故ts參數交收的不對檔是必然的，應該允許有一定范圍的誤差存在。另外由于ts

值是隨著IC測試電流的增加非線性減小的，故一個品種用規定的測試電流進行ts測試分檔后若交收采用不同的IC測試電流交收就有可能增大樣品間的相對差異。功率器件各參數之間關系VCEOVCBOICBOICEOICMtstfVCEO↑

∕↑↓↓↓∕↑hFE↑↓∕∕↑∕↑↑芯片面積↑∕∕↑↑↑↑↓晶體管各參數之間存在矛盾，又統一在一個器件之內。由于受成本、晶體管理論、制造工藝等因數的限制，在矛盾體中選擇合適參數、用戶好用的產品才是最好的產品。

二、器件特性介紹晶體管有三種工作狀態，即放大、截止和飽和。三種工作狀態在其輸出特性曲線上分別處于三個不同的區域。晶體管應用于開關電路中，一旦選定了電源電壓VCC和負載RL，就可以畫出負載線。負載線與橫軸VCE的交點是VCC，與縱軸IC的交點是VCC/RL，負載線斜率的倒數等于RL。

二、器件特性介紹

晶體管的工作狀態對于NPN型晶體管，如果發射結與集電結均為反向偏置，或發射結零偏置，即VBE≤0，VBC<0，集電極電流幾乎為零，只有一個很小的反向漏電流ICEO=（1+β）ICBO，晶體管的工作狀態處于負載線上的M點。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之間呈現高阻抗，相當于開關“斷開”，晶體管處于截止狀態。 當晶體管的發射結處于正向偏置而集電結處于反向偏置時，即VBE>0，VBC<0，晶體管工作點由M移向Q點，進入放大狀態。在此情況下，只要給晶體管的基極注入一個較小的電流IB，在集電極則獲得βIB大小的放大了的電流，滿足ΔIC=βΔIB放大規律，IC與RL，VCC無關。 如果晶體管基極驅動電流足夠大，IB≥ICM/β，發射結與集電結均處于正向偏置，IB增加，IC不再增加，工作點沿負載線移動到N點，進入飽和區。晶體管上的壓降等于飽和壓降VCES，呈現低阻抗，相當于開關“接通”。

二、器件特性介紹晶體管的工作狀態

二、器件特性介紹晶體管的開關損耗a：通態損耗：當晶體管飽和導通時，雖然有較大的集電極電流ICES流過管子，但這時的晶體管飽和壓降VCES很小，接近于零，故此時管子的功率損耗很小（ICES×VCES

），其變化余地不大。b：斷態損耗：當晶體管截止時，雖然VCE很大（等于直流電源電壓），但管子的漏電流ICEO很小，故此時的管耗（VCE×ICEO），非常小，這部分功耗是微不足道的。c：開關損耗：該損耗是指晶體管由飽和轉換為截止或由截止轉換為飽和時的損耗，這種損耗也稱為渡越損耗。在晶體管開啟和關閉這兩段時間內，晶體管壓降和電流都比較大，因此管耗較大，占整個管耗的比重也比較大。對于一般重復頻率不太高的脈沖，開關時間相對較短，因此在每個周期內，晶體管的平均功耗并不明顯。但對于高頻電子鎮流器來說，開關管的渡越損耗在晶體管整個耗散功率中所占比重較大，而且與電路參數的選擇有很大關系。開關晶體管驅動電路設計合理與否，直接關系到晶體管的溫升程度、轉換效率和使用壽命。

二、器件特性介紹雙極型晶體管從高阻區突然轉變到低阻區和從高壓區迅速轉變到低壓區的現象，稱為“二次擊穿”，簡稱S/B。二次擊穿也叫做負阻擊穿。二次擊穿是影響功率開關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。晶體管發射結零偏壓時的擊穿曲線如右圖所示。當集電結外加反向偏壓逐漸增大到某一數值時，集電極電流急劇增加，出現一次擊穿現象：當集電結反向偏壓進一步增大，在IC增大到臨界值（右圖中A點對應的IC

）時，晶體管集電極與發射極之間的電壓突然降低，IC繼續增長，呈現為負阻特性，這個現象就是二次擊穿。晶體管的二次擊穿特性晶體管的二次擊穿特性

二、器件特性介紹整個二次擊穿過程發生在毫秒或微秒時間范圍內，是一種破壞性的不可逆擊穿，如果沒有保護電路，晶體管會被燒毀，并且一般表現為C-E短路，常稱做C-E穿通。晶體管發射結無論處在何種偏置都會發生二次擊穿，右圖示出了發射結正向、零和反向三種不同的偏置情況下發生二次擊穿時的伏安特性。引起二次擊穿的物理過程多數認為是由于晶體管內部出現電流局部集中而形成的“熱點”引起的。過熱點處的電流會進一步增加，勢必導致該點溫度進一步上升，最終會發生熱電擊穿或熱擊穿。欲提高晶體管二次擊穿的性能，除了在設計和工藝上采取相應的措施外，在實際應用中可以加設散熱片并設計保護電路，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（SOA）晶體管的安全工作區，在大電流區，其邊界由集電極最大允許電流ICM線組成；在高壓區，安全工作區邊界由集電極最大允許電壓BVCEO線組成；在低壓大電流區，安全工作區由集電極最大耗散功率PCM=IC×VCE線界定；在高壓小電流區，則由二次擊穿功耗PSB線決定的。晶體管的安全工作區是由上述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）內因方面：設計缺陷（版圖結構分布、線條間距、線條寬度等）芯片制造缺陷（氧化層質量、光刻質量、表面鈍化層質量、背面金屬化質量、劃片質量、環境潔凈度、純水質量等）成品組裝缺陷（背面接觸、鍵合質量、應力釋放、參數篩選等）。2）外因方面：存儲、運輸及使用過程中的環境條件：氣候環境條件（溫度、濕度、氣壓）、機械環境條件（扭矩過大、振動、沖擊、離心力、失重、碰撞、跌落加速度）、化學條件（腐蝕性氣體、酸蝕等）線路匹配狀況：工作點的選取、輸入輸出阻抗的匹配、上下管參數一致性的控制等。2、芯片可靠性保證1）合理的版圖設計理念設計優劣直接決定了產品的性能和可靠性的優劣；合理的布局可使電流分布均勻，工作時熱流均勻穩定；版圖和工藝能力的良好匹配可減少制造過程中的缺陷。2）工藝制造工藝方法、工藝水平不僅決定了產品性能的一致性和穩定性，而且也決定了產品可靠性的高低。A）光刻圖形的完整性。針孔、小島、鋸齒等不良現象都會降低產品的可靠性。B）表面鈍化，就是如何使SiO2層中鈉離子數量控制在允許的水平，并能在使用條件下保持使SiO2層中可動鈉離子數量穩定不變。3、應用中的可靠性保證1）選擇的晶體管要有足夠安全余量晶體管制造過程中的性能保證只是正常應用的前提，由于線路中各個元器件參數及性能的離散在所難免，并且開關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定可靠地工作，選用時必須保證在耐壓、電流輸出方面留有足夠的余量。保證