【一种晶体管的分析和设计：高频大功率晶体管设计12000字】

)显然，R(t)+F(t)=1。R(t)与F(t)随时间的变化曲线如图3.1所示。图3.1R(t)与F(t)随时间的变化曲线3.1.2通用的失效分布函数人们总是希望用一个单一的数学模型来表达电子元件在整个生命周期中的效率。半导体器件和各种电子元件的效率通常随时间而变化，如图3-3所示。从变化曲线可以看出，产品失效可分为三个阶段，即早期失效、失效（或不稳定使用）和损失失效。图3.3典型的电子元器件和半导体器件的失效率曲线过早失效是指产品在使用中出现的过早损坏。故障发生率较高，工作时间越长，故障率越低。造成产品过早失效的主要原因是产品质量问题。该阶段的失效可以通过可靠性设计和强化工艺质量控制来降低。年龄的增长应该是合理的，在生产之前要及早进行零件老化的检测。事故失效循环的特点是效率低、稳定性差、基本稳定。这段时间是最好的使用时间。损耗失效循环的特点是损耗效率大大提高，大多数器件都会相继失效。它通常出现在产品的后期使用中。由于老化、磨损、疲劳等原因导致设备性能下降，必须尽快更换设备，以确保设备的正常运行。3.2电子元器件可靠性评价与试验3.2.1可靠性评价及其技术进展（1）可靠性评价可靠性评估是指采用可靠性试验、寿命加速试验、快速评估技术等多种可靠性评估方法，并利用数学统计工具及相关仿真软件对其寿命、失效率或可靠性进行评定。同时，采用可靠性筛选技术对产品的质量进行评估，并对其进行早期失效的不合格产品进行筛选。随着电子元件的高可靠性需求，越来越趋向于小型化、集成化、多功能化。在此方面，最近几年有了长足的进步。以集成电路为例，若采用常规的可靠性测试方法对产品进行可靠性评价，将难以达到高集成度、小型化、高测试费用等要求。采用加速寿命测试法，可以减少对部分产品的评价。在此基础上，运用芯片级别的可靠性评价技术，对产品或包装结构的前端进行可靠性评价。在生产中出现的诸多问题都得到了及时的解决，并得到了改善。近年来，可靠性电路设计、版图设计、工艺设计、封装结构设计等方面都在为产品设计提供依据。本文逐渐建立起内部可靠度的概念，并对“电子元器件的设计与生产进行了探讨，而非可靠性等级”的概念进行了探讨。（2）可靠性评价技术的进展本文以集成电路可靠性评估为例，介绍了基于可靠性测试、可靠性测试和加速寿命测试的方法，介绍了基于微电子测试结构的可靠性评估方法、结构工艺质量评定与认证方法、敏感参数、可靠性评估方法、可靠性评估方法等。与常规测试方法比较，该方法节省了测试样本，缩短了测试时间，减少了测试费用。这些器件适用于VLSI的开发，有着巨大的发展空间。以下是一些简单的方法。在可靠性试验中，由于元件数目的巨大增长，很难对各元件进行均匀的应力分布，因而很难对其进行可靠度评价。随着芯片的集成程度不断提高，产品的纵、横截面尺寸不断变大，对其进行失效机理的分析与定位也越来越困难。这就给故障模式下的可靠性评价带来了难度。因此，对成品进行预包装是目前世界范围内IC可靠性评价工作的首要任务。该方法被称作芯片级别的可靠度评价。WLR评价方法是在芯片生产过程中，通过工艺监测，对与主要失效模式有关的内容进行评价。如由芯片上的Si-Si02采集到氧化层中载流子陷阱密度、界面态密度、可动电荷和固定电荷密度、针孔密度、氮化硅中氧含量等监测数据。利用这些数据来评价集成电路抗热电子效应能力和与时间有关的击穿(TDDB）的可靠性。由芯片上金属化层在热电应力作用下的监测数据，用来评价集成电路金属互连系统的可靠性。类似方法可用于芯片上对抗静电、抗电浪涌能力的评价、对CMOS芯片的抗闩锁能力评价等。3.2.2可靠性筛选（1）筛选的目的正如前面提到的，可以用浴盆曲线来描述电子装置的效率与时间的关系。此曲线可划分为三个阶段，即早期失效。早期失效检测是指对产品进行100%的非破坏性检验，以消除其早期失效所带来的潜在缺陷，提高其可靠性。一般情况下，微电路产品受到一定的电、热应力影响，从而影响到产品的性能和分布，见图3-10。影响应力测量的主要因素是把潜在的缺陷和合格的产品的早期失效区分开来，也就是说，在不损害合格的产品的情况下，可以使失效产品的退化。图3.10施加应力后产品特性分布的变化在意外失效阶段，如果长期存在电加热或应力，第二定律将发生变化。②→②’→②”第二个在图3-10中。一旦消费阶段失败，变化曲线将迅速形成3，不合格品将显著增加。为了更好地进行检测，必须通过失效分析了解主要失效模式和最敏感的应力，研究哪种应力最有可能发生，并在此基础上确定检测方法和条件。可靠性筛选具有以下特点：(1）可靠性筛选所剔除的具有潜在缺陷的早期失效产品一般都是工艺缺陷和工艺过程中产生差错造成的，所以可靠性筛选有时也叫做工艺筛选。其实，在产品制造过程中，各个工艺质量的检验、成品和半成品的电参数测试等也可看作筛选的过程。(2）可靠性筛选是100%的试验，而不是抽样检验。所以可靠性筛选必须是非破坏性的试验。经过筛选试验，对批产品不应增加新的失效模式和机理、4高频大功率晶体管基本设计研究4.1高频大功率用晶体管关断特性分析基于大功率晶体管关断特性的理论认识，利用实验数据研究换向电流变化率、回路电感等因素对晶体管关断特性的影响规律。4.1.1晶体管关断特性晶体管是一种PNPN层序的四层结构器件。其各层载流子掺杂浓度分布如图4.1所示。PNPN结构中，P1、P2区域利用真空闭管扩镓或硼铝涂层扩散技术形成，掺杂浓度稳定在1016~1018cm-3范围里。N1区为衬底，一般由硅材料制成，掺杂浓度是均匀的。N2区的掺杂浓度维持在1020cm-3以上，由磷扩散法或合金法制成。分别用J1、J2、J3结表示三个PN结，K、A、G分别表示晶体管的阴极、阳极和门极。图4.1晶体管PNPN结构及参杂浓度示意图在工作的过程中，会有大量的非对称载流子进入到较低的基极区。由于施加于晶体管两端的电压前后改变，因此，在正向电流条件下，回路电感LC不会降低。在正向电流逐渐衰减至零时（），逆流不会在打开时立刻消失，因为注入过量的不均衡载流子。在逆向电流最大的时候，会（）快速地衰减。当电流达到最大值时，环上的电感会产生一个逆向的峰值，并逐步回复到高阻。此工艺叫做逆向晶体管复原。逆变器的电压和电流波形。图4.2晶体管反向恢复过程中的电流电压波形4.1.2晶体管关断过程与电路设计在Simulink与平台中搭建带有反向恢复模块的晶体管模型，图4.3为晶体管示意图，其中VM和CM均为检测单元，分别测量电压、电流；Iq为非独立电流源，Iq的输出电流与s端口输入信号相同；T为平台库中原有晶体管模型，其端口a、k、m、g分别是阳极、阴极、检测接口和门极。将经过计算产生的电流信号源输入s接口，Iq受控源输出的电流即使晶体管反向恢复电流。图4.3晶体管设计主回路及逻辑回路按照图4.2所示测试回路以及相应电气参数搭建，图4.3为晶体管反向恢复模型电路，通过改变负载电阻R、调波电感L、电容器C容量可以得到不同外部回路参数下的晶体管关断特性参数。设置R4值（续流支路杂散电阻）为0.5mΩ；设置R2值（开关支路杂散电阻）为1mΩ；设置L2值（开关支路杂散电感）为1μH。图4.4晶体管反向恢复模型电路4.2高频大功率用晶体管设计试验4.2.1晶体管概述在直流输电换流阀内，晶体管是一个非常关键的重要部件，其主要作用类似一个高电压大容量的单向开关。光控晶体管也被称为光触晶体管，其关键技术之一就是通过将特定波长的光信号直接送入晶体管栅极光敏区，从而引发晶体管。光控晶体管是一种新型的高电压、高功率、高电压、高电压、高电压、核聚变等领域的应用。第二个关键技术是在内部集成前向BOD保护。BOD防护技术被整合在晶体管中，使器件与BOD实现“无感”的接触，使保护的效率和可靠性得到了极大的提升。通常晶体管有三个电极：控制极G、阳极A和阴极K；而光控晶体管由于其控制信号来自光的照射，所以只有两个电极(阳极A和阴极K)。但它的内部结构与普通可控硅一样，都是由四层PNPN器件构成。图4.5光控晶体管结构和符号图4.6伏安特性曲线光控晶体管的其他性能都和一般的晶体管一样，只需要注意它是光控的特性，就可以像普通的晶体管一样。图4.5显示了光控三极管的电压特性曲线。它的特性曲线分为逆态、断态、负阻区、通态四个部分。在光控三极管受到逆向电压的情况下，不管有没有光触发脉冲，光控三极管都不能接通。在光控三极管受到断态电压的情况下，门极受到光触发的脉冲而被触发。和一般的晶体管一样，光控三极管一旦被触发，就会进入接通状态。不管门极光有没有触发信号，光控晶体管的接通状态都不会受到影响。只有当外部电路将光控制晶体管的阳极电流降低到低于保持电流IH时，才能使其重新处于闭锁状态。图4.7光控晶体管元件和芯片实物图上图是光控晶体管元件和芯片实物图。阳极A是正向电流由外电路流入晶体管的主端子，阴极K是正向电流由晶体管流出至外电路的主端子，门极是光触发脉冲进入光控晶体管的端子。光控晶体管密封在管壳里，光触发脉冲信号通过密封透明的门极窗口进入晶体管。管壳内填充惰性气体，保护光控晶体管芯片免受外部气氛的影响。1）正向转折保护电压（VBOD）光控晶体管在正向集成了一个过压保护二极管，一旦断态电压达到给定的正向电压时，过压保护二极管可以保护触发晶体管进入通态，保护晶体管避免损坏。正向转折保护电压（VBOD）是晶体管保护触发进入通态的最小断态电压。一般来说，当晶体管承受断态电压时，起初漏电流随电压的增加上升很慢，漏电流始终很小，呈现高阻状态（例图4.8左）。当电压达到某个值时电流突然增加（图4.9右），如果继续增加电压，就会产生一个突跳，晶体管两端的电压降突然降低而电流却急剧增加，转为低阻，进入导通状态。产生突跳的断态电压成为转折电压。对于电控晶体管,这种断态电压超过转折电压时晶体管转入导通状态方式要尽量避免。对于光控晶体管，由于继承了BOD保护，可以保护晶体管避免损坏。图4.8晶体管正向阻断电压转折前后波形（横坐标电压，纵坐标电流）逆向电压（VRRM）是光控制晶体管所能反复承受的最大电压。当晶体管受到逆向电压时，初始漏电流会随着电压的升高而缓慢地升高，而漏电流总是很低，并表现出较高的电阻。随着电压升高，逆向电流急剧上升，造成了雪崩式的破坏。通态电压VTM，即在预定的通态电流下，该电压为光控三极管的主端子之间的最大电压。当主电路在外部开关之后，从光控制晶体管通状态电流降到0的瞬间开始，最短的时间间隔被限定为截止时间，在该最短的时间间隔中，光控制晶体管能够经受正向电压而不会被打开。当光控晶体管从预定的通态电流状态转变到预定的逆变状态之后，在预定的时间期间，该光控晶体管的逆向回复电流对时间的积分被称作恢复电荷Qr。恢复电荷与通态电流下降速率及温度有很大关系。4.2.2元件失效分析通过解剖发现：贵广一回工程用晶体管保护胶用的是粉色硅橡胶，贵广二回和工程用晶体管保护胶用的是白色硅橡胶。在去芯片边缘硅橡胶的过程中，发现贵广一回用晶体管普遍存在保护硅橡胶容易从芯片上剥离的现象，比L05885、PL01629等。光控晶体管剥离硅胶后，大多在显微镜下在其硅片边缘发现受损点。硅橡胶具有防潮湿，防腐蚀，有效阻挡外界杂质，水气侵入芯片表面的作用，同时也能起到防止表面损伤的作用。贵广一回用的光控晶体管表现出硅橡胶胶与硅表面粘附性不好的现象，可能的原因是，该硅橡胶的粘附性，热稳定性，电稳定性，防潮性，气密性及自身的化学稳定性存在问题。如果硅橡胶粘附不好，会造成阻断电压在长期大负荷高温运行中发生蠕变下降，漏电流上升，可靠性和稳定性严重下降。换流站现场测试晶体管电压时发现部分器件电压出现蠕变下降就很好的说明了这一点。总结目前，针对受压振动引起的有关附件所产生的危险，提出了降低振动、对附件进行针对性保护等切实可行的措施，以延长整个装置的使用寿命。然而，虽然目前已经进行的一些研究，包括对光控型晶体管的寿命进行了研究，但由于投资和规模不够，只进行了少量的实验，对其寿命进行了评价，而对其它关键器件的研究却很少。目前国内尚无对大功率高频晶体管进行设备运行状态评价和故障分析的有效手段，无法对其进行全面的监测和对其存在的潜在风险，从而为直流通道的安全稳定运行和改造决策带来极大困难。根据工程实际问题和需要，对高频、大功率器件的结构和技术要求进行了详细的阐述，并对不同内外环境下的高频大功率晶体管的性能参数进行了测试和表征，并提出了一套标准的晶体管故障诊断标准和程序。通过对高频、大功率晶体管关断特性的分析和模拟，探讨了换相电流变化率、回路电感等对其关断性能的影响，并进行了实验，并对实验结果进行了初步的分析。

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