（微电子学与固体电子学专业论文）开关电源中关键器件的可靠性研究.pdf

摘要 摘要 从9 0 年代开始，开关电源逐步得到广泛的应用。开关电源的核心是d c d c 变换器。影响开关电源的主要因素是其拓扑结构，开关频率，控制方式及关键元 器件如开关管、储能电感和变压器等。近年来，电源设备日趋复杂，使用环境也 变得恶劣多样，所服务的电子系统又越来越重要和昂贵，这一切使得提高电源设 备的可靠性研究变得刻不容缓。 开关电源中有很多器件无法进行高温试验( 如光电耦合器) ，因此对开关电 源整体进行加速寿命试验有一定的困难。本文在深入研究h h w 2 8 s 1 5 电源模块 的基础上，提取其功率级电路进行试验并采用恒定电应力温度斜坡法对此电路中 的v d m o si r f l 2 0 和肖特基二极管( s d b ) s c 0 7 0 h 1 5 0 a 进行可靠性评价。恒 定电应力温度斜坡法( c e t 砌) 具有试验周期短，所需样品少的优点。 首先，对h h w 2 8 s 1 5 电源模块的电路拓扑结构进行分析，并对其输入、输 出特性和关键节点的电压波形进行了测量，所得结果是设计试验样品的电应力偏 置电路的重要依据。 其次，专门研制了温度应力控制系统和电应力偏置系统，以满足恒定电应力 温度斜坡法的试验要求。温度应力控制系统采用先进的欧陆3 5 0 4 温控仪、周波 数调功控制模块、固态继电器、热电偶和温度补偿导线搭建，为试验提供了精确 的序进温度应力；电应力偏置系统的主电路与h h w 2 8 s 1 5 电源模块的功率级电 路相同，并制作了专用的p c b 电路板。 使用专门设计研制的试验设备对瓜f 1 2 0 和s c 0 7 0 h 1 5 0 a 进行了加速寿命试 验，得到了在7 5 至2 0 3 范围内主要的直流特征参数，即服f 1 2 0 的阈值电压、 通态电阻、跨导和s c 0 7 0 h 1 5 0 a 的正向特性和反向特性。通过对数据进行分析 处理，得出各个试验样品的寿命，其中u 1 2 0 的平均寿命为9 0 6 1 0 6h ， s c 0 7 0 h 1 5 0 a 的平均寿命2 1 6 1 0 。 另外，本文对常见的失效模式与失效机理进行了介绍，在理论上分析了样品 的失效机理主要是器件固有缺陷和玷污。i r f l 2 0 氧化膜中的正离子沾污使其与 时间有关的击穿( t d d b ) 变得比较显著，s c 0 7 0 h 1 5 0 a 氧化膜中的正离子使s i 0 2 膜和场环之间可能形成以n 型沟道，导致反向漏电流增加。 关键词：可靠性；恒定电应力温度斜坡法；激活能；开关电源 a b s 廿a c t a b s t r a c t s i n c en l en i i l e t e e n so fl a s tc e n t l l r y ，s w i t c h i i l gp o w e rh 嬲b e e nu s e dw o r l d “d es t 印b ys t e p t l l ec o r eo fs 、i t c h i n gp o w e ri sd c - d cc o n v e r t 既n em 咖f a c t o r st 1 1 a ta 仃e c t l ep e 哟衄a n c eo f s w i t c h i i l gp o w e ri si t st o p 0 1 0 9 y ，s 谢t c h 舶q u e i l c y c o n 仃o lm o d ea i l di 协k e yd e v i c eu n i t ss u c ha s t l l es w i t c ht i l b e ，e n e r g y - s t o m g ei i l d u c t o ra i l d 胁l s f o 珊既1 1 1r e c e n ty e a r s ，m eg r o w i l l gc o m p l e x 时 o fp o w e re q u i p m e l l t ，m eu s eo fn l ee i 拍n l e i l th a sb e c o m ew o r s ea n dd i v e r s e ，m es e r 、，i c e so fm e e l e 咖n i cs y s t e mi s i n c r e a s i i l 9 1 ym l p o r t a n ta i l de x p e n s i v e ，a l ln l i sm a _ k e sm er e s e a r c ho ft h e r e l i a b i l i 够o fp o w e rs u p p l ye q u i p m e n th a sb e c o m eu r g e n t i ti sd i 伍c u l tt oc a r r yo u ta c c e l e r a t e dl i f et e s ti i ls w i t c h i n gp o w e rs l l p p l y aw h o l e ，b e c a u s e s o m ed e c ec a i ln o tw o r ki nh i g ht e m p e r a t i l r e ( s u c ha so p t o c o u p l e r ) i i l 血i sp a p w es t u d yt h e h h w 2 8 s1 5p o w e rm o d u l e sa i l dg e tt l l ep o w e rc 讹u i tt ot e s t t l l ec o n s t a n te l e c t r i c a ls 廿e s sa n d t e i n p e r a t t l r er 锄ps t r e s sm e m o da p l p l i e dt om ev d m o s 己f 1 2 0a n ds c 0 7 0 h 1 5 0 a t h ec o n s 锄t e l e c 打i c a ls 缸e s sa n dt e i i l p e r a t i l r er a i 】叩s 缸e s sm e t h o dh 弱t h e 访r t l l eo fs h o r tp e r i o da i l d f l e w s 锄p l e s f i r s t l y ，w ea n a l y s i sm et o p o l o g yo fh h w 2 8 s 15p o w e rm o d u l e s ，a i l dm ei n p u tc h a m c t 甜s t i c s ， o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ev o l t a g ew a v eo fm ek e yn o d ea r em e a s u r e d a l lm i si si m p o r t a l l tf o r t l l ed e s i g no fe l e c t r i c a ls 臼e s sb i 觚s y s t e m s e c o n d l y t h et e m p e r a _ c i l r e s 仃e s sc o n t i 0 ls y s t e ma n de l e c t r i c a ls n e s sb i 鹊 s y s t 锄a r e c u s t o m i z e df o rt l l ep r o g r e s s i v e s t r e s sa c c e l e r a t e d1 i f et e s tt os a t i s 匆廿1 et e s tc o n d i t i o no fm e c o n s 协n te l e c t r i c a ls t r e s sa 1 1 dt e 埘【p e r a t u r e 均m ps 仃e s sm e t l l o d t h et 锄p 咖r es 仃e s sc o n t r 0 1 s y s t e m ，c o n s 仇1 c t e dw i ma d v a n c e dt e m p e r a t i l r ec o n 仃o le q u i p m 豇l te u r o t l l e n n3 5 0 4c o n t r o l l p o w e ra d j u s tc o n 仃o lm o d u l e ，s o l i d - s t a t er c l a 弘t h e m o c o u p l ea i l dt 唧e r a t u r ec 咖p e n s a t i o nl e a d ， p r o 访d e sa c c u r a t ep r o g r e s s i v et a m p e r a _ t i l r es 仃e s s ；w h i l et h ee l e c t r i c a ls 缸e s sb i a l ss y s t e mi n c l u d e s s p e c i f i cp c b t h ep r o 铲e s s i v e s 仃e s sa c c e l e r a t e d1 i f et e s ti sc o n d u c t e dt on l e 琢t l2 0a i l ds c 0 7 0 hl5 0 a t h et e s t0 b t a i n st h ed e t 甜o r a t i o nd a t ai nm e 瑚g eo f 7 5 一2 0 3 o f d cc h a r a c t 耐s t i cp a r 锄酏 n 锄e l y n 鹏s h o l dv o l t a g e ， o n - s t a t er e s i s t a n c e ，仃a n s c 彻d u c t a r l c ef o r 强1 2 0a i l d p o s i t i v e c h a r a c t 萌s t i c s ，i 洄e r s ec h a r a c t 舐s t i c s 矗竹s c 0 7 0 h 15 0 a t h r o u g hm ea 1 1 a 】y s i so f 吐l ed a t a ，廿l el i f e o f t h es a m p l ea r eg a i n e d t 1 1 ea v 盯a g el i f e 缸eo f i r f l 2 0i s9 0 6 1 0 6ha n dm ea v e r a g e1 i f et i m e o f s c 0 7 0 h 1 5 0 ai s2 1 6 1 0 8h 1 1 1 e 胁n i l i a rm o d eo ff a i l u r ea i l d l ef a i l u r em e c h a n i s mi si n 仃o d u c e di nm ef i l l a lc h a p t e r 7 r h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft l l et e s ts 锄p l ei sa i l a l ) ，z e di nt l l e o 巧a 1 1 dt 1 1 er e a s o nf o rt h ed e g e n e r a t i o n i i i 北京丁业_ i 1 ，所以 乏唧c 孝肛2 詈旷唧c 嘉，- 彳唧c 毒刀 在试验中温度的变化范围通常会大于1 0 0 k ，所以 t 2 e x p ( e 瓜t ) t 0 2 e x p ( e k t 0 ) 5 1 】 则( 2 。7 1 式的积分结果可简化为： m k a e x p ( ”+ 矿”) 丁2 一= = ：一 m ope ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 唧c p 呐 r 、一k a 7 e x p ( 广+ y m ) 胆 ( 2 - 1 2 ) 试验中电流密度和电压保持不变。画1 n ( t 。2 m 懋压o ) 1 t 的关系曲线，找出 其中的线性部分，数据拟合后直线的斜率为s ，样品的失效激活能即为 e = - k s ( 2 - 1 3 ) 上面介绍了提取激活能的模型的建立过程，若器件在试验过程中，出现一个 以上的退化机理，则其失效敏感参数的退化会出现趋势不同的阶段，使用公式( 2 1 1 ) 和( 2 一1 3 ) 就可以计算出不同退化机理所对应的激活能。 2 4 4 寿命的外推 设在试验过程中，由t l 时刻到t 2 时刻，器件的特征参数退化到失效判据所引 起的器件退化能量积累q 为： 1 2 q 1 一丁e k ch i i m 一气坐 得 旷 ； h 数对取时同边两式 中 上 其 第2 专加速寿命试验方法 q = “唧c 普，出 q = d 甲e x p ( 昔) 出 。一 而产品正常使用时的温度应力为t o ，此时器件退化的能量积累q 为 ( 2 1 4 ) 班曙灿一， 仁 其中t 为测试器件的寿命，五和为正常工作时的电流密度和电压。根据 n e l s o n 积累损伤模型【5 2 】，其主要思想为：产品的残余寿命仅依赖于已累计失效 的部分和当时的应力水平，而与累计方式无关。所假定的数学含义为：产品在应 力s l 下，工作了时间t l ，积累的失效概率为f l ( s 1 ，t 1 ) ，能量为e l ，相当于此 产品在应力s 2 下，工作了时间t 2 ，积累的失效概率f 2 ( s 2 ，t 2 ) ，能量e 2 。即f l ( s 1 ，t 1 ) = f 2 ( s 2 ，t 2 ) ，e l = e 2 。根据这一模型，利用在s l 下的试验时间t 1 ，就可 以求出相当于在s 2 下的试验时间t 2 。 q = q ( 2 1 6 ) 则t 可以外推得到： 兵甲试验条件应和器件的买际二l 作条件一致， 工作时的结温。( 2 1 7 ) 式可以简化为 b c 普，协 e x p ( 寿 考虑到式f 2 5 1 和陀8 ) ，式( 2 18 ) 可简化为 1 3 ( 2 - 1 7 ) 即j - j o ，v = v o ；t o 为器件正常 ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) f d 一 )一 e一丁一岳一毛 二肛|1一 ，l 一懂 p 一 x 一 壁咱 册 一 嗍d y 一形驴丽 ere一石 二尼i i 一朗 学趸弛 p 一 刚啾一啾 似 一 懿 z 一 ，严一圯 船一 出 一 渺 一 e一丁o 二后一tz (一一一z 磕 x 一 霉 e 一 如舾l 唧 北京t 业大学t 学硕士学位论文 其中t 1 ，t 2 是与t 1 ，t 2 对应的结温。根据此式即可预测受测器件的寿命。 试验中的器件特征参数初始值m o 实际为样品在不同温度下不加电时的参 数值。 本章小结 本章首先介绍了三种加速寿命试验的实施方法，各方法的研究应用情况。然 后详细介绍了本课题的序进应力加速寿命试验所用的温度斜坡法，即计算出样品 的激活能，进而预测器件在正常使用条件下的寿命，并说明了如何判定器件失效 机理的一致性，保证了加速的有效性和外推寿命的准确性。 1 4 第3 章开关电湃中的关键器件 第3 章开关电源中的关键器件 在深入研究了d c d c 开关电源的基础上，本章对d c d c 开关电源的关键 器件及其发展方向作简要的介绍。 功率半导体器件仍然是开关电源技术发展的龙头，开关电源技术的进步必须 依靠不断推出的新型电力电子器件。v d m o s f e t 以其独特的高输入阻抗、低驱 动功率、高开关速度、优越的频率特性、以及很好的热稳定性等特点，广泛地应 用于开关电源。肖特基二极管的正向通态压降较小，具有多数载流子导电的特性， 因此其开关频率高，在开关电源中常常被用为整流管。 3 1v d m o s 的简要介绍 v d m o s 在1 9 7 9 年由h w c 0 1 1 i n s 等人提出后，逐步改变了整个功率半导 体器件的面貌。上世纪八十年代是m o s 器件和晶闸管并行发展的年代。到了上 世纪九十年代m o s 器件迅速占领了相当大部分的中小功率器件市场。经过近2 0 余年的发展，商用v d m o s 产品日趋成熟。 v d m o s 由于采用单极性多子导电，开关时间显著地减小，又因其很容易达 到1 g h z 的开关工作频率而受到瞩目。但是提高器件阻断电压必须加宽器件的 漂移区，结果使器件的内阻迅速增大，通态压降增高，通态损耗增大，所以只能 应用于中小功率产品。为了降低通态电阻，美国瓜公司采用提高单位面积元胞 个数的方法。如瓜公司开发的一种h e e t ，其沟槽( t r e n c h ) 元胞密度己达 到每平方英寸1 1 2 亿个的世界水平，通态电阻可达3 mq 。自1 9 9 6 年以来， h e e t 的通态电阻以每年5 0 的速度下降。取公司还开发了一种低栅极电荷 ( q g ) 的h e x f e t ，其开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时 下降，则r q g 的下降速度为每年3 0 。 3 1 1v d m o s 的结构与工作原理 v d m o s 结构如图3 1 ，其显著特点是源极与漏极分别做在芯片的两面，形成 垂直导电通道，多个单胞并联实现大功率。其工艺是在n + 衬底 晶向上生 长n 。高阻外延层，外延层的厚度及掺杂浓度直接决定v d m o s 的击穿电压， v d m o s 制作过程是在外延层上采用平面自对准双扩散工艺，以此在水平方向形 成与m o s 结构相同的多子导电沟道。早期n + 源区与p 体区是由扩散形成，近 北京t 业大学t 学硕十掌何论文 年来为了精确控制结深，出现了更为先进的离子双注入工艺fd o u b l e i m p l a n t e d ) 。值得注意的是p 体区，它与外延层构成一个反并联的寄生体二极管， 并且源区、体区和外延层组成了一个寄生n p n 管。体二极管代表了v d m o s 的 耐压能力，而寄生三极管一旦触发，将使器件失效，因此p 体区与源极短接，并 在短接处做浓硼离子注入，以减小体区电阻，削弱寄生三极管触发能力。v d m o s 工作原理同一般的m o s 管一样，当栅源电压y g s 大于器件的开启电压y 也时， 水平沟道表面形成强反型层，器件导通，当小于开启电压时不存在导电沟道， 器件断开。改变栅压的大小，可以控制漏极电流的大小。为了实现高压，必须降 低外延层的掺杂浓度，但会引起导通电阻的增大，因此自v d m o s 诞生以来， 如何解决v d m o s 高击穿电压与低导通电阻的矛盾一直是研究的热点。v d m o s 为多元集成结构，m 公司的h e x f e t 采用了六边形单元，西门子公司的 s 口m o s f e t 采用了正方形单元( 如图3 2 ) ，摩托罗拉公司的t m o s f e t 采用了 矩形单元按“品”字排列。 g 图3 1v d m o s 的结构及符号 f i g 3 1 n l es t m c m r ea i l ds y m b 0 1o f v d m o s 1 6 第3 奄开关电源中的关键器件 图3 2v d m o s 结构剖面图 f i g 3 - 2 t h es t m c t u r eo fv d m o s 3 1 2v d m o s 的主要技术特点 由于v d m o s 管是以栅极电压控制负载电流，属于电压控制型器件，因而 具有驱动功率小的特点；又因是多子器件，无少数载流子存贮效应，所以具有“开 关速度快 、“安全工作区域宽等优点。v d m o s 的准饱和现象是设计器件最 大输出电流的重要因数之一。具体的技术特点如下： ( 1 ) 高输入阻抗和低驱动功率 v d m o s 管是电压控制型器件，其输入阻抗通常在1 0 1 1q 以上。一般来说， 驱动电流在1 0 0 n a 量级，可控制几安到几十安的电流输出，功率消耗极小。 v d m o s 栅极可直接与c m o s 、t t l 集成电路和其他高阻器件连接，具有良好 的工艺兼容性，使驱动电路的设计大大简化。 ( 2 ) 开关速度快 v d m o s 管的开关速度比双极型晶体管快得多，由于其为多子器件，没有尾 电流，开关损耗小，不需要存储时间，其开关时间一般为1 1 0n s 量级，而双 极晶体管在1us 量级。v d m o s 不仅可以作为开关电源的重要部件，也可广泛 应用于通讯、微波炉等高频领域。 ( 3 ) 更宽的安全工作区域 v d m o s 具有电流负温度系数，没有二次击穿现象。对比双极型功率器件， 北京- 、眦大学工学硕j _ 学位论文 因为其少子注入密度随结温升高而增加，即电流增大，可能造成电流集中而热击 穿器件。相反v d m o s 作为多子器件，其通态电阻随着温度升高而增大，没有 由热电正反馈而引起的二次击穿，很难引起由于局部电流突然增大，过热发生的 击穿，使得安全工作区增大。这也是v d m o s 允许元胞之间并联和器件之间并 联的原因。 ( 4 ) 准饱和效应 由于v d m o s 具有的特殊的垂直导电通道结构，将出现有别于一般m o s f e t 的准饱和现象，所谓的准饱和效应指v d m o s 的输出电流达到一定限度以后，漏 源电流随着栅压升高几乎不变，随着漏压升高不饱和的现象。准饱和现象限制了 v d m o s 的最大输出电流。研究指出，准饱和现象是载流子在外延层达到速度饱 和所造成的，输出电流的最大值与体区p 阱之间距离成正比。 3 1 3v d m o s 的重要参数 3 1 3 1 漏极电流 当栅极加适当极性和大小的栅极电压时，多晶硅栅极在扩散沟道区表面感应 一个反型层，如图3 3 。这个反型层( 沟道) 连接了源极与漏极的轻掺杂区，并 且开始导通电流，漏极电压较小时，漏极电流与之成线性关系： 厶2 以弘吲一争 ( 3 - 1 ) 随着漏极电压的增加，漏极电流出现饱和并与栅源电压的平方成一定关系： 厶：以c o 孚( 一圪) ： ( 3 2 ) 其中玩为电子迁移率；q 为单位面积的栅氧化层电容；w 为沟道宽度； i ，为沟i 酋长摩。 3 1 3 2 阈值电压 栅压为零时，半导体表面层可能已存在电荷，要使它没有电荷，或者说，要 使半导体表面能带是平的，栅上应加电压，此电压称为平带电压。这是因为： 1 、栅与p 型半导体之间存在着接触电势差九。，即使栅电压为零，此接触电势 1 8 第3 帝开关电源中的关键器件 差已使得栅表面的静电位比p 型半导体低了一个九。，即半导体表面已经有正电 荷，栅上已有负电荷。为了消除这些电荷，栅上应加正电压九。；2 、半导体在与 氧化层接触的层面上常存在着面电荷，此面电荷的密度用表示，为了使这 些面电荷产生的电力线都终止在栅的表面上，而不是进入半导体使半导体能带弯 曲以产生感应电荷一q 嚣，那么栅上应有负的面电荷，其面密度为级。这对正 负电荷在氧化层上的电压为级乞气或即级乞c 0 。由此可见，平带电压为： = 一级巳 ( 3 3 ) 如果氧化层内还有其它电荷，则它的作用可以用半导体表面的等效电荷来反 映，上式中的艮应包括这种等效电荷在内。 阈值电压定义为使半导体表面为反型层时栅上所需加的电压。它由三部 分组成：1 、栅上首先需加电压v f b 使半导体表面能带是平的；2 、若要表面反型 则半导体能带应有2 q 蝙的弯曲，其中q 是体内费米能级到禁带中央的距离， 故栅上还应再加2 蝙的电压；3 、能带弯曲2 q 对应着表面反型层到体内有一 1 过渡层，就象+ p 结一样，此耗尽层有一电荷面密度：一q = 一2 ( 粥乞) 2n a 为p 型衬低的杂质浓度。这个负电荷需由栅上相应的正电荷来屏蔽，因此氧化 层上又需要再加一个电压q 乞，综上所述，得到阈值电压： 三 ：+ 2 如+ 2 型掣递 ( 3 4 ) u n x 由于制造p 型区是靠通过掩膜的窗口扩散受主杂质而形成的，p 区表面杂 质浓度不均匀，按阈电压的定义，它应使表面处处形成反型沟道，故上式n a 应 取最大值n a m 。x 同理，蝻也应取n 触来算。 萨堡觑监 2 仂出 g 1 9 ( 3 - 5 ) 北京工q k 大学t 学硕十学位论文 ( 如 ( 豢) 勰蝴堍馘 图3 3 不同栅压下沟道的开启情况 f i g 3 3 n ed i 脓n ts i t u a t i o no fm ec h 猢e li nd i 鼢e n tg a t ev 0 1 t a g e 3 1 3 3 导通电阻 功率m o s 由许多单兀并联而成，由于导通电阻与面积成反比，因此本文 讨论的均为单位面积的导通电阻，这个电阻与图形结构有关。图3 。4 示出了功 率m o s 的电子从+ 源区流经有源区、表面积累层、“颈”区、外延区、+ 区 的有关电阻，它们分别用、心、如、b 表示。 氐+ ：它是+ 扩散源区的电阻。与其它电阻相比，它仅占很小的一部分； ：沟道电阻； 尺，：“颈”部电阻； 心：表面积累层电阻； 如：漂移区电阻 上面列出的各电阻在不同的器件中占不同的比重。对于低压器件沟道电阻 、积累层电阻心和“颈”区电阻吩是主要的。单位面积的沟道宽度对心、 影响较大，沟道宽度愈大，则导通电阻愈低；对于高压器件，漂移区电阻如 是主要的。 2 0 第3 奇开关电源中的关键器件 、 娃e j 兰碉鬯 鸭彳 一 i ；摹躺溉魄 l黯柏 图3 - 4v d m o s 导通电阻的结构示意图 f i g 3 - 41 1 1 es 仃u c t i l r eo f t l l eo n s t a t eo f ) m o s 3 1 3 4 漏源击穿电压 功率m o s f e t 的击穿电压或反向阻断电压的定义与双极型晶体管中 k 朋) 四( 基极与发射极短路，集电极与发射极间的击穿电压) 的定义相同，这里 的击穿指的是雪崩击穿。当反向偏置p n 结的耗尽区载流子获得足够的动能发 生电离或产生临界电场时的电压为漏源击穿电压k 踟脚。这一电压的大小主要决 定于轻掺杂漏极区的特性和基底端表面电场的类型。 导通电阻和耐压的关系： 功率器件的性能主要由三个参数来衡量：耐压、开关时间和比导通电阻。而 这些性能的优劣与否主要取决于漂移区的掺杂、载流子寿命和导通时的调制情况 即非平衡载流子的数目。功率m o s f e t 这类器件是没有少子注入的器件，所以 关断很快。因为漂移区掺杂浓度越低，耐压越高，但是比导通电阻越大，所以耐 压和比导通电阻是一对矛盾，不能同时做到很好。对于一个均匀掺杂的漂移区， 由前人的工作可知，在最佳的条件下，即漂移区宽度是平行平面结击穿时耗尽区 宽度的2 3 时，比导通电阻心和击穿电压的关系为： i k = 8 3 1 0 9 v b 2 5qa n 2这就是人们常说的硅极限，它描述了比导通电阻 和击穿电压的极限关系。 2 1 北京工、眦大学工学硕十学位论文 3 2 肖特基二极管的简要介绍 整流二极管为开关电源的关键部件，因为其功耗大，约占电源功耗3 0 ，因 此要求整流二极管在高速大电流工作状态下，具有正向压降小、开关时间短的特 性。肖特基势垒二极管在开关电路和保护电路中作为整流和续流元件，可以大幅 度降低功耗，提高电路效率和使用频率，减少电路噪声。与普通的p n 结二极管 相比，s b d 的势垒高度低于p n 结势垒高度，故其正向导通门限电压和正向压降 都比p n 结二极管低( 约低o 2 ；s b d 是一种多数载流子导电器件，不存在少 数载流子寿命和反向恢复问题。s b d 的反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、 放电时间，故开关速度非常快，开关损耗也特别小，尤其适合于高频应用。 3 2 1 肖特基势垒 金属和半导体形成整流接触特性有两种情况：1 ) 金属和n 型半导体接触，且 金属的功函数大于半导体的功函数，即既 形；2 ) 金属和p 型半导体接触，且 金属的功函数小于半导体的功函数，即既 形，其能带图如图3 - 5 所示。 一一赢一一”一一一 l 咖毒 _ - 。 e c s e 如e 蹦 e v l e c s e f l e v s 图3 5 金属与半导体接触的能带图 f 适3 - 5t h ee n e r g ) ，- b a l l dd i a g r a mo fm e t a ls e m i c o n d u c t o rc o n t a c t 金属导体内部有大量的导电电子。当金属与半导体接触( 二者距离只有原子 大小的数量级) 时，金属的费米能级低于半导体的费米能级。在金属内部和半导 体导带相对应的分能级上，电子密度小于半导体导带的电子密度。因此，在二者 接触后，电子会从半导体向金属扩散，从而使金属带上负电荷，半导体带正电荷。 由于金属是理想的导体，负电荷只分布在表面为原子大小的一个薄层之内。而对 于n 型半导体来说，失去电子的施主杂质原子成为正离子，则分布在较大的厚 度之中。电子从半导体向金属扩散运动的结果，形成空间电荷区、自建电场和势 垒，并且耗尽层只在n 型半导体一边( 势垒区全部落在半导体一侧) 。势垒区中自 第3 章哥关电源中的关键器件 建电场方向由n 型区指向金属，随热电子发射自建场增加，与扩散电流方向相 反的漂移电流增大，最终达到动态平衡，在金属与半导体之间形成一个接触势垒， 这就是肖特基势垒，电荷分布如图3 6 所示。 图3 6 金属与半导体结的电荷分布 f i g3 6 n ec h a r g ed i s 撕b u t i o na tm em e t a l s e i i l i c o n d u c t o rj u n c t i o n 3 2 2 肖特基势垒的电流输运理论 载流子通过肖特基势垒形成电流的方式有四种。现在以加正向偏置的金属与 n 型半导体的接触为例进行讨论。这四种机构是： 1 半导体导带中的电子越过势垒顶进入金属： 2 半导体导带电子以量子力学隧道效应穿过势垒进入金属： 3 耗尽区中电子、空穴的复合( 若加反向偏压则为耗尽区电子、空穴的产生) ； 4 中性区复合，即空穴注入效应。 以上四种方式均表示于图3 7 。反向偏置下发生与上述相反的过程。 北京- 业大学工学硕+ 学位论文 翌f h q 拳 图3 7 正向偏置下肖特基势垒中电流传输的过程 f i g3 - 7t h ee l e c t r i c i t y 位m s m i s s i o n 恤m es c h o t t k yb a r r i e ru n d e rp o s i t i v eb i a s 在实际生产肖特基二极管时，总是设法使第一个过程成为影响导电的主要过 程，而将其他三个过程减小到可以忽略的程度。一般称这种二极管为理想肖特基 势垒二极管，将其他三个过程作为与理想情况的偏离。 图中第二种导电机构即为隧道电流，它正比于e x p ( 1 s ) 。要减小它的影响， 必须增大耗尽层宽度只，也就是说，采用较低的掺杂浓度。 第三种导电机构引起的电流就是复合电流。它是由耗尽层内的复合中心产生 的，复合中心一般是材料的缺陷带来的。为了最低限度地减小复合电流，就要提 高外延层的晶体质量，使用缺陷少，表面光亮的外延片。 第四种导电机构实际上就是少子注入。一般来说，当外延层掺杂浓度 n 2 0 为器件的 失效判据。 数据处理采用第2 章介绍的方法。温度斜率为o 1 6 7 1 1 。参数v t i l 和v n l o 分别为样品在不同温度下加电和不加电时的测量值。同时考虑器件的热阻为 3 0 脚，结温升约为5 0 。我们使用e x c e l 软件辅助分析数据，用o r i 西n7 软件 来拟合。横坐标为温度t 的倒数，纵坐标为1 n ( r 2 v t h v t l l o ) 。通过拟合可知， 从1 0 7 到1 6 3 器件的失效激活能一致，符合同一个失效机制。拟合曲线如图 4 2 4 所示。 4 5 北京t 业大学1 = 学硕士学位论文 1 3 - 1 4 1 5 - 1 6 - 1 7 1 b 0 ，d d 2 0 5d 0 2 1 0d 0 盟1 5口叩2 2 00 叩2 2 50 叩2 3 d00 d 2 3 5 1 厂r ( 1 ，k ) 图4 2 4a ) l 样品的l n ( t 之v m v m o ) 一l 厂r 的关系曲线及拟合直线 f i g 4 2 4 a ) t h er e l a t i o n s h i pc l l r v ea n df i tl i n eo fl n ( r 2 v m v t ho ) 一1 厂ro fl 群 一 o 一 c 司 “ 1 3 1 4 1 5 1 6 三1 7 1 8 00 0 2 0 50 0 0 2 1 000 0 2 1 5d 叩2 0 0 0 2 2 50 0 0 2 3 00 2 3 5 1 厂r ( 1 ，k ) 图4 2 4 b ) 2 j f i 样品的l n ( 丁2 v l l i v mo ) 一l 厂r 的关系曲线及拟合直线 f i g 4 。2 4 b ) t h er e l a t i o n s h i pa l r v ea 1 1 df i tl i n eo fl n ( t 2 v 吐l v t i io ) 一1 厂ro f 2 一o u1一寸n_l)u一 第4 章v d m o s 和肖特基二极管加速寿命试验 1 b 0 叩2 口50 0 0 2 1 00 口0 2 1 50 0 2 如0 0 0 2 2 5d 0 口2 3 口口2 3 5 1 厂r ( 1 ，k ) 图4 2 4c ) 3 样品的l n ( r 2 v t l i v t l i o ) 一1 厂r 的关系曲线及拟合直线 f 培4 2 4 c ) t h er e l a t i o n s h i pc u ea n df i tk n eo f l n ( r 2 v t i i v l i l o ) 一l 厂ro f 3 存 1 群、2 群、3 舟样品的拟合直线的斜率为s 1 = 1 4 0 9 7 3 7 ，s 2 = 1 5 0 5 4 ，s 3 = 1 5 5 0 1 0 1 。 由式( 2 1 3 ) 得它们的激活能分别为e l = 1 2 1 e v 岛= 1 2 9 e v 岛= 1 3 3 “。由式( 2 - 1 9 ) ， 三个样品的寿命分别为f 1 = 4 7 7 4 1 0 6h ，龟= 9 5 5 2 1 0 6h ，如= 1 3 5 3 1 0 7h 。 4 2 5 肖特基二极管s c 0 7 0 h 15 0 a 试验数据及数据处理 本次试验测试了s c 0 7 0 h 1 5 0 a 所加正向压降为o 2 5 v 时的正向电流i f 和所 加反向电压为3 0 v 时的反向电流i r ，试验数据如图4 2 5 、4 2 6 。 4 7 一o c_一司n卜一c一 北京工业大学丁学硕十学位论文 6 01 0 01 2 0 1 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 8 0 0 0 d 6 0 0 口0 4 0 0 0 d 2 口0 口口 d 1 4 d1 6 01 b d2 凸02 2 0 1 - ， 图4 2 51 样品正向电流和温度的关系 f 培4 2 5 仉ep tr e l a t i o n s h j pc u n ，eo f l 5 01 0 d1 2 01 4 0 1 6 q1 b d 2 0 02 2 0 t ， 图4 2 6l 样品反向电流和温度的关系 f i g 4 - 2 6t h ei r - tr e l a t i o n s h i pc u r v eo f1 由测试结果可看出，s c 0 7 0 h 1 5 0 a 的正向电流随温度升高而线性增大，加电 工作后正向电流比高温存储时稍有增大，变化不是很明显，在四个管子中最大的 变化比率没有超过4 0 。 s c 0 7 0 h 1 5 0 a 的反向电流随温度变化迅速，由上图可看出2 0 3 时的反向电 4 8 即 加 加 加 加 1 1 1 e ，j | 钨4 章v d m o s 和岜特基二极管加速寿命试验 流大约是7 5 时的1 5 0 0 倍。1 3 1 以后，反向电流的变化比率升高，出现了退 化趋势。当i r i p 2 5 0 时判定器件失效。应用第二章提出的失效机制一致性版 别方法，从图4 2 7 可以看出其从1 3 1 到1 8 7 的退化机制相同。 _ o l 一 、 三 日 n 卜 c 1 1 0 1 1 5 - 1 2 0 1 2 5 1 30 - 1 35 1 4 0 1 4 5 1 5 0 0 0 0 1 9 50 0 口2 0 0 0 2 0 500 0 2 1 口0d 0 2 1 50 2 2 0 1 ，r ( 1 ，k ) 图4 2 7a ) 1 撑样品的l n ( t 2 i r i r o ) 一1 厂r 的关系曲线及拟合直线 f i g 4 2 7 a ) n er e l a t i o n s h i p 删a n df i tl i i l eo f l n ( r 2 i r i ，o ) 一l 厂r o f1 撑 1 10 1 1 5 1 2 口 占。1 2 5 2 1 3 0 司 “ 1 3 ，5 亡 1 40 1 4 5 1 5 0 0 0 d 19 5 0 0 d 2 0 0 0 d 口2 0 50 0 d 2 100 0 0 2 15d0 0 2 2 0 1 厂r ( 1 ，k ) 图4 2 7b ) 2 撑样品的l n ( r 2 i r i r o ) 一l 厂r 的关系曲线及拟合直线 f i g 4 2 7 b ) t h er e l a t i o n s h i pc u n ，ea i l df i tl i i l eo fl n ( t 2 i r i ro ) 一1 厂r o f2 i f j 4 9 北京t 业大学t 学硕十学伊论文 ”d - 1 1 5 1 2 d 占。1 2 5 ：1 3 0 日 n - 35 c - 1 4 0 - 1 4 5 - 1 5 d 0 0 d 1 9 5o 0 0 2 0 00 0 0 2 0 5口0 d 2 1 口0 0 0 2 1500 0 2 2 0 1 厂r ( 1 ，k ) 图4 2 7c ) 3 样品的1 n ( r 2 i r i r o ) 一l 厂r 的关系曲线及拟合直线 f i g 4 2 7 c ) t h er e l a t i o n s h i pc u r 、，ea n df i t1 i i l eo f l i l ( f i r i r o ) 一l 厂r o f 3 ；f j 1 1 口 1 1 5 1 2 0 1 2 5 1 3 口 - 1 3 5 1 4 0 1 4 5 0 q 0 1 9 5q 0 q ：! q od q 2 0 50 0 0 2 1 000 q 2 1 50 ，凸0 2 2 n 1 丌( 1 ，k ) 图4 2 7d ) 4 样品的l n ( r 2 i r i r o ) 一1 厂r 的关系曲线及拟合直线 f i g 4 2 7 d ) r 1 1 l er e l a t i o n s h i pc u r v ea n df i tl i i l eo f l n ( r 2 i ，i r o ) 一1