半导体器件寿命影响因素分析及处理方法

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]。

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。

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 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。

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。