IGBT及其派生器件

    例如：IGCT，是MOS和雙極集成的混合型半導(dǎo)體功率器件。因此，IGBT的失效模式，既有其子器件MOS和雙極的*失效模式，還有混合型*的失效模式。MOS是靜電極敏感器件，因此，IGBT也是靜電極敏感型器件，其子器件還應(yīng)包括靜電放電（SED）防護(hù)器件。據(jù)報(bào)道，失效的半導(dǎo)體器件中，由靜電放電及相關(guān)原因引起的失效，占很大的比例。例如：汽車(chē)行業(yè)由于失效而要求退貨的器件中，其中由靜電放電引起的失效就占約30%。本文通過(guò)案例和實(shí)驗(yàn)，概述IGBT及其子器件的四種失效模式：（1） MOS柵擊穿；（2） IGBT——MOS閾值電壓漂移；（3） IGBT壽命期內(nèi)有限次連續(xù)短路脈沖沖擊的累積損傷；（4） 靜電放電保護(hù)用高壓npn管的硅熔融。
    MOS柵擊穿IGBT器件的剖面和等效電路見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，IGBT是由一個(gè)MOS和一個(gè)npnp四層結(jié)構(gòu)集成的器件。而MOS是金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)稱。其中，氧化物通常是硅襯底上氧化而生成的SIO2，有時(shí)還迭加其他的氧化物層，例如Si3N4，Al2O3。通常設(shè)計(jì)這層SiO2的厚度ts：微電子系統(tǒng)：ts<1000A電力電子系統(tǒng)：ts≥1000A。SiO2，介質(zhì)的擊穿電壓是1×1019V/m。那么，MOS柵極的擊穿電壓是100V左右。人體產(chǎn)生的靜電強(qiáng)度U：濕度：10-20%，U＞18000V；60-90%時(shí)，U≥1500V。上述數(shù)據(jù)表明，不附加靜電保護(hù)的MOS管和MOS集成電路（IC），只要帶靜電的人體接觸它，MOS的絕緣柵就一定被擊穿。案例：上世紀(jì)六十年代后期，某研究所研制的MOS管和MOS集成電路。不管是安裝在印刷電路板上還是存放在盒中的此種器件，都出現(xiàn)莫名其妙的失效。因此，給MOS一個(gè)綽號(hào)：摸死管。如果這種“摸死”問(wèn)題不解決，我國(guó)*臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MOS集成電路微型計(jì)算機(jī)就不可能在1969年誕生。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的困惑，開(kāi)始懷疑靜電放電的作用。為了驗(yàn)證，準(zhǔn)備了10支柵極無(wú)任何防護(hù)的MOS管，用晶體管特性測(cè)試儀重新測(cè)試合格后，即時(shí)將該器件再往自己身上摩擦一下再測(cè)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：*柵擊穿！隨后，在MOS管的柵極一源極之間反并聯(lián)一個(gè)二極管，問(wèn)題就基本解決。意外的結(jié)果：“摸死管”成了一句引以為戒的警語(yǔ)。該研究所內(nèi)接觸和應(yīng)用MOS管MOS-IC的同事，對(duì)靜電放電對(duì)器件的破壞性影響都有了深刻的體驗(yàn)。
    IGBT壽命期限內(nèi)，有限次數(shù)短路脈沖沖擊的累積損傷失效 在壽命期限內(nèi)，IGBT會(huì)遇到在短路、雪崩等惡劣條件下工作，它能承受短路脈沖沖擊的次數(shù)是有限的，并和相關(guān)條件有關(guān)。4.1非穿通型（NPT）IGBT的魯棒性NPT—IGBT的魯棒性見(jiàn)圖5，被測(cè)器件是SGW15N120。在540V 125℃時(shí)測(cè)試。X軸是耗散的能量。Y軸是器件直至損壞的短路周期次數(shù)。由圖5可見(jiàn)，在給定條件下，器件有一個(gè)臨界能量：EC=V·I·TSC=1.95J（焦耳）式中，TSC是短路持續(xù)時(shí)間當(dāng)E>EC時(shí)，，*次短路就使器件失效。當(dāng)E<EC時(shí)，大約要經(jīng)歷104次短路以上，器件會(huì)因周期性的能量累積退化使它失效。當(dāng)E=EC時(shí)，器件失效模式不明確。當(dāng)能量等于或稍等于EC時(shí)，器件關(guān)斷后，器件的拖尾電流，經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間td f ，將導(dǎo)致熱擊穿。這段延緩性失效時(shí)間為微秒級(jí)。圖6給出不同短路續(xù)時(shí)間TSC，IGBT測(cè)量的短路電流波形。