半导体基础知识介绍

半导体基础知识介绍华润华晶产品与技术中心2010年10月Fab5SiliconFabPlant3Fab2R&DCenterMarketing&SaleDeptAdministrationDeptsFloor2&3TestPlant

目录一、器件基础知识二、器件特性介绍三、晶体管可靠性分析联系方式

VDMOS产品设计师唐红祥tanghy@

双极型晶体管设计师

何飞hef@

应用工程师吕文生luws@1、半导体的基本概念半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。物质的导电能力一般用电阻率ρ来表示。单位是Ω-cm。一、器件基础知识2、半导体的基本特性热敏特性——随着温度的升高，半导体的电阻率减小，导电能力明显的增强。光敏特性——受到光线照射后，半导体的电阻率减小，导电能力大大增强。杂质导电特性——在纯净的半导体中，加入微量的某些其它元素（称之为“掺杂”），可以使它的导电能力成百万倍的提高。一、器件基础知识3、半导体的分类按化学成分——元素半导体和化合物半导体按是否含有杂质——本征半导体和杂质半导体按导电类型——N型半导体和P型半导体按原子排列的情况——单晶和多晶一、器件基础知识4、半导体器件二极管整流二极管、开关二极管、发光二极管……三极管（晶体管）双极型晶体管、MOS型晶体管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）……晶闸管集成电路一、器件基础知识一、器件基础知识5、双极型晶体管晶体管是应用最广泛的半导体器件之一。晶体管：内部含有两个PN结外部通常有三个引出电极－－集电极、基极、发射极它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。

一、器件基础知识6、双极型晶体管的种类按半导体材料分类硅材料晶体管、锗材料晶体管、化合物材料晶体管按极性分类

NPN型晶体管、PNP晶体管按结构及制造工艺分类台面型晶体管、平面型晶体管。一、器件基础知识6、双极型晶体管的种类按电流容量及功率分类小功率晶体管、中功率晶体管、大功率晶体管。按工作频率分类低频晶体管、高频晶体管、超高频晶体管。按封装结构分类金属封装（简称金封）晶体管、塑料封装（简称塑封）晶体管、玻璃壳封装（简称玻封）晶体管、陶瓷封装晶体管、表面封装（片状）晶体管一、器件基础知识6、双极型晶体管的分类按功能和用途分类低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、微波晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、光敏晶体管、磁敏晶体管等多种类型。

一、器件基础知识7、双极型晶体管的命名规则例：3DD13003F6D企业标准：有D表示内部CE极间集成有二极管企业标准：封装外形代码,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企业标准：对应不同芯片版图，本例中F对应3DD1147E芯片企业标准：对应不同产品序列型号国标：对应不同类型产品，其中X-低频小功率，G-高频小功率，D-低频大功率，A-高频大功率国标：对应不同材料和极性，其中A-PNP型锗材料，B-NPN型锗材料，C-PNP型硅材料，D-NPN型硅材料国标：用数字表示半导体器件有效电极数目，3-三极管，2-二极管一、器件基础知识8、MOS型晶体管

MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor金属氧化物半导体场效应晶体管它不象双极型晶体管由两个PN结组成，而是由金属、氧化物、半导体三种材料组成的器件。三个电极：G(栅极)、S(源极)、D(漏极)按不同的结构及工艺：VMOS、DMOS、TMOS、LDMOS等

一、器件基础知识9、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

Insulated

GateBipolarTransistorMOS晶体管和双极型晶体管组成的复合结构器件兼具MOS晶体管的快速开关特性和双极型晶体管的大电流特性

1、二极管二极管的基本构成由一个P-N结组成二极管的电学符号：二、器件特性介绍二、器件特性介绍二极管的特性曲线（伏安特性）实际上就是P-N结的正向特性VF

反向特性VR、IR2、晶体管ICM—集电极最大直流电流（单位：A）Tjm—最高结温（P-N结所能承受的最高温度）

Tjm的大小与半导体材料的性质、电阻率、制造工艺有关。对硅晶体管来说，Tjm=150~200℃Ptot（Pcm）—最大耗散功率二、器件特性介绍

二、器件特性介绍VCEO－－集电极发射极电压体现了晶体管C、E间的电压承受能力。大小主要取决于硅材料规格，和hFE大小有关。晶体管芯片面积一定时，ICM和VCEO呈负比例关系。VCBO－－集电极基极电压

体现了晶体管C、B间的的电压承受能力。

大小主要取决于硅材料规格。

晶体管芯片面积一定时，ICM和VCEO呈负比例关系。

二、器件特性介绍

VEBO－－发射极基极电压

体现了晶体管E、B间的电压承受能力

主要受设计和制造工艺的影响，一般没有特别要求。

在电子镇流器线路应用中有时会出现启动瞬间超过VEBO的窄脉冲情况，由于晶体管的反向击穿具有可恢复性，一般不会影响其性能和可靠性。

二、器件特性介绍漏电流ICBO、IEBO、ICEO

ICBO、IEBO、ICEO显示晶体管反向截止时的漏电情况，反映了工艺线的制造水平。

ICBO，IEBO一般要求小于1μA，华晶产品典型值在nA级。

ICEO理论上等于ICBO扩大hFE的倍数，一般小于10μA。

二、器件特性介绍hFE－－电流增益（电流放大倍数）

理论上，hFE

应尽可能大，以便于用较小的基极电流控制较大的集电极电流，可以减少驱动损耗。但开关速度、电流特性、VCEO等限制了hFE的范围。

一般灯用晶体管选用：15~30

电源类用晶体管选用：20~40

二、器件特性介绍VCE（sat)－－集电极－发射极饱和电压体现了晶体管导通饱和时C、E间电压情况由于伴随着大电流状态，该电压越小越好。在其它参数要求不变情况下，为了得到较小的VCE(sat)需要更大芯片面积。

二、器件特性介绍晶体管的基本开关电路

二、器件特性介绍晶体管的开关参数a：延迟时间td：从输入信号VIN开始变正起，到集电极电流IC上升到最大值ICM的10%所需时间。b：上升时间tr：集电极电流IC从10%ICM上升到90%ICM所需要的时间。c：储存时间ts：从输入信号VIN开始变负起，到集电极电流IC开始下降到90%ICM所需要的时间。d：下降时间tf：集电极电流IC从90%ICM下降到10%ICM所需要的时间。延迟时间与上升时间之和，代表晶体管由关断状态过渡到导通状态所需要的时间，我们将其称为开启时间，用ton表示，即ton=td+tr

储存时间与下降时间之和，代表晶体管由导通状态过渡到关断状态所需要的时间，我们将其称为关断时间，用toff表示，即toff=ts+tf

二、器件特性介绍ts——储存时间tf——下降时间

ts

和tf

是晶体管的两个重要的时间参数不同使用场合、不同线路设计对晶体管ts、

tf的要求范围是不同的。

二、器件特性介绍晶体管的开关参数与环境温度密切相关，目前大多数照明企业采用杭州伏达的UI9600系列仪器进行测试交收。由于存在测试仪器的误差、环境温度的差异，故ts参数交收的不对档是必然的，应该允许有一定范围的误差存在。另外由于ts

值是随着IC测试电流的增加非线性减小的，故一个品种用规定的测试电流进行ts测试分档后若交收采用不同的IC测试电流交收就有可能增大样品间的相对差异。功率器件各参数之间关系VCEOVCBOICBOICEOICMtstfVCEO↑

∕↑↓↓↓∕↑hFE↑↓∕∕↑∕↑↑芯片面积↑∕∕↑↑↑↑↓晶体管各参数之间存在矛盾，又统一在一个器件之内。由于受成本、晶体管理论、制造工艺等因数的限制，在矛盾体中选择合适参数、用户好用的产品才是最好的产品。

二、器件特性介绍晶体管有三种工作状态，即放大、截止和饱和。三种工作状态在其输出特性曲线上分别处于三个不同的区域。晶体管应用于开关电路中，一旦选定了电源电压VCC和负载RL，就可以画出负载线。负载线与横轴VCE的交点是VCC，与纵轴IC的交点是VCC/RL，负载线斜率的倒数等于RL。

二、器件特性介绍

晶体管的工作状态对于NPN型晶体管，如果发射结与集电结均为反向偏置，或发射结零偏置，即VBE≤0，VBC<0，集电极电流几乎为零，只有一个很小的反向漏电流ICEO=（1+β）ICBO，晶体管的工作状态处于负载线上的M点。此情况下晶体管集电极电压接近于电源电压，即VCE≈VCC，晶体管C-E之间呈现高阻抗，相当于开关“断开”，晶体管处于截止状态。 当晶体管的发射结处于正向偏置而集电结处于反向偏置时，即VBE>0，VBC<0，晶体管工作点由M移向Q点，进入放大状态。在此情况下，只要给晶体管的基极注入一个较小的电流IB，在集电极则获得βIB大小的放大了的电流，满足ΔIC=βΔIB放大规律，IC与RL，VCC无关。 如果晶体管基极驱动电流足够大，IB≥ICM/β，发射结与集电结均处于正向偏置，IB增加，IC不再增加，工作点沿负载线移动到N点，进入饱和区。晶体管上的压降等于饱和压降VCES，呈现低阻抗，相当于开关“接通”。

二、器件特性介绍晶体管的工作状态

二、器件特性介绍晶体管的开关损耗a：通态损耗：当晶体管饱和导通时，虽然有较大的集电极电流ICES流过管子，但这时的晶体管饱和压降VCES很小，接近于零，故此时管子的功率损耗很小（ICES×VCES

），其变化余地不大。b：断态损耗：当晶体管截止时，虽然VCE很大（等于直流电源电压），但管子的漏电流ICEO很小，故此时的管耗（VCE×ICEO），非常小，这部分功耗是微不足道的。c：开关损耗：该损耗是指晶体管由饱和转换为截止或由截止转换为饱和时的损耗，这种损耗也称为渡越损耗。在晶体管开启和关闭这两段时间内，晶体管压降和电流都比较大，因此管耗较大，占整个管耗的比重也比较大。对于一般重复频率不太高的脉冲，开关时间相对较短，因此在每个周期内，晶体管的平均功耗并不明显。但对于高频电子镇流器来说，开关管的渡越损耗在晶体管整个耗散功率中所占比重较大，而且与电路参数的选择有很大关系。开关晶体管驱动电路设计合理与否，直接关系到晶体管的温升程度、转换效率和使用寿命。

二、器件特性介绍双极型晶体管从高阻区突然转变到低阻区和从高压区迅速转变到低压区的现象，称为“二次击穿”，简称S/B。二次击穿也叫做负阻击穿。二次击穿是影响功率开关晶体管安全工作的重要因素，是造成晶体管毁坏的重要原因。晶体管发射结零偏压时的击穿曲线如右图所示。当集电结外加反向偏压逐渐增大到某一数值时，集电极电流急剧增加，出现一次击穿现象：当集电结反向偏压进一步增大，在IC增大到临界值（右图中A点对应的IC

）时，晶体管集电极与发射极之间的电压突然降低，IC继续增长，呈现为负阻特性，这个现象就是二次击穿。晶体管的二次击穿特性晶体管的二次击穿特性

二、器件特性介绍整个二次击穿过程发生在毫秒或微秒时间范围内，是一种破坏性的不可逆击穿，如果没有保护电路，晶体管会被烧毁，并且一般表现为C-E短路，常称做C-E穿通。晶体管发射结无论处在何种偏置都会发生二次击穿，右图示出了发射结正向、零和反向三种不同的偏置情况下发生二次击穿时的伏安特性。引起二次击穿的物理过程多数认为是由于晶体管内部出现电流局部集中而形成的“热点”引起的。过热点处的电流会进一步增加，势必导致该点温度进一步上升，最终会发生热电击穿或热击穿。欲提高晶体管二次击穿的性能，除了在设计和工艺上采取相应的措施外，在实际应用中可以加设散热片并设计保护电路，以防止晶体管早期失效。

二、器件特性介绍晶体管的安全工作区（SOA）晶体管的安全工作区，在大电流区，其边界由集电极最大允许电流ICM线组成；在高压区，安全工作区边界由集电极最大允许电压BVCEO线组成；在低压大电流区，安全工作区由集电极最大耗散功率PCM=IC×VCE线界定；在高压小电流区，则由二次击穿功耗PSB线决定的。晶体管的安全工作区是由上述4条曲线所围成的。三、晶体管可靠性分析1、影响晶体管可靠性的因素2、芯片可靠性保证3、应用中的可靠性保证4、晶体管失效分析流程1、影响晶体管可靠性的因素1）内因方面：设计缺陷（版图结构分布、线条间距、线条宽度等）芯片制造缺陷（氧化层质量、光刻质量、表面钝化层质量、背面金属化质量、划片质量、环境洁净度、纯水质量等）成品组装缺陷（背面接触、键合质量、应力释放、参数筛选等）。2）外因方面：存储、运输及使用过程中的环境条件：气候环境条件（温度、湿度、气压）、机械环境条件（扭矩过大、振动、冲击、离心力、失重、碰撞、跌落加速度）、化学条件（腐蚀性气体、酸蚀等）线路匹配状况：工作点的选取、输入输出阻抗的匹配、上下管参数一致性的控制等。2、芯片可靠性保证1）合理的版图设计理念设计优劣直接决定了产品的性能和可靠性的优劣；合理的布局可使电流分布均匀，工作时热流均匀稳定；版图和工艺能力的良好匹配可减少制造过程中的缺陷。2）工艺制造工艺方法、工艺水平不仅决定了产品性能的一致性和稳定性，而且也决定了产品可靠性的高低。A）光刻图形的完整性。针孔、小岛、锯齿等不良现象都会降低产品的可靠性。B）表面钝化，就是如何使SiO2层中钠离子数量控制在允许的水平，并能在使用条件下保持使SiO2层中可动钠离子数量稳定不变。3、应用中的可靠性保证1）选择的晶体管要有足够安全余量晶体管制造过程中的性能保证只是正常应用的前提，由于线路中各个元器件参数及性能的离散在所难免，并且开关瞬间存在着较大的浪涌电流和反峰电压。要使晶体管在线路中能稳定可靠地工作，选用时必须保证在耐压、电流输出方面留有足够的余量。保证