Способ контроля вторичного пробоя силовых транзисторов

 

Изобретение относится к технике измерения предельных параметров силовых транзисторов (СТ). Может быть использовано при исследовании области безопасной работы СТ в режиме переключений. Целью изобретения является повьтение быстродействия контроля, а также повьшение точности контроля вторичного пробоя (ВП) СТ. Сущность предлагаемого споW

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

COQ4AЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

1 (19) (11) (5D 4 G 01 R 31/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

»Ц,"

i c (»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3799976/24-21 (22) 15.10.84 (46) 23.07.86.Бил. 11» 27 (71) Ленинградский ордена Трудового

Красного Знамени институт точной механики и оптики (72) В.А.Рудский (53) 621.382.3 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1(» 685992, кл. G 01 R 31/26, 1977, Патент Японии У 54-16193, кл. G 01 R 31/26, 1979. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВТОРИЧНОГО

ПРОБОЯ CHJIOBbK ТРАНЗИСТОРОВ (57) Изобретение относится к тех— нике измерения предельных параметров силовых транзисторов (СТ). Может быть использовано при исследовании области безопасной работы СТ в режиме переключений. Целью изобретения является повышение быстродействия, контроля, а также повьппение точности контроля вторичного пробоя (ВП) СТ. Сущность предлагаемого спо1246030 соба можно пояснить на примере

СТ п — р — n — n+ -типа. С ростом тока в и -коллекторе, эа счет возникновения неоднородно распределенного поля образуется квазинейтраль— ная область, модулированная избы" точными носителями заряда, величина которого и выбирается в качестве критерия предпробойного состояния СТ.

В выходную цепь испытуемого прибора подают испытательные импульсы, после каждого из которых измеряют величину неосновных носителей тока в слаболегируемой области структуры прибора. При превышении ее значения расчетной критической величины фиксируют параметры импульсов и судят о предпробойном состоянии испытуемых

Изобретение относится к технике измерения предельных параметров силовых транзисторов (СТ) и может быть использовано, например, при исследовании области безопасной работы СТ в режиме переключений.

Целью изобретения является повышение быстродействия контроля, а также повышение точности контроля

ВП СТ за счет измерения эффективной площади сечения области ко нцентрации тока. . На чертеже приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Согласно предлагаемому способу в качестве критерия.предпробойного состояния используется величина избыточного заряда неосновных носителей, а также величина .эффективной площади эмиттера.

Критерий предпробойного состояния СТ не связан непосредственно . с развитием теплового процесса, а является следствием неоднородного распределения тока по площади структуры, что способствует высокому быстродействию способа и увеличению выхода годных приборов.

Кроме того, способ не требует выполнения условия квазистационарности испытуемого импульса по отношению к контролируемому параметру предприборов. С целью повышения точности контроля, дополнительно измеряют величину максимального значения послеинжекционной ЭДС на коллекторном переходе испытуемого прибора в режиме холостого хода транзистора.

По резкому уменьшению эффективной площади сечения области концентрации тока судят о предпробойном состоянии. Схема устройства, реализующего данный способ содержит импульсный генератор 1 эмиттерного тока, базовый резистор 2, прямой диод 3, переключатель 4, диод 5, емкость 6, шунт коллекторного тока 7, источник 8 коллекторного напряжения, измерительные приборы 9,10,11, 1 э.п. ф — 3IbI (H J1, пробойной ситуации, причем само характеристическое время установления фиксируемого процесса накопле" ния заряда очень мало и определяется временем пролета носителями тока участка слаболе иро ванной области структуры.

Сущность предлагаемого способа можно пояснить на примере СТ

10 n — - .. р-n --n -типа следующим образом.

С увеличением коллекторного тока, протекающего через СТ при фик— сированноы напряжении IJ, согласно к эффекту Кирка распределение элект15 рического поля Е в слаболегированной и-области коллектора изменяет ся. При малых токах I СТ нахок дится в активном режиме, причем максимум электрического поля находит20 ся у р-h-перехода база-коллектор, С ростом тока максимум поля снижается и при плотности тока 1

= q Ч Nd,ãäå Ui- скорость насыщения электронов; Я - уровень леги25 рования и -области, в коллекторе наблюдается однородное распределение поля. . Дальнейшее увеличение плотности тока сопровождается перемещением

31 максимума напряженности поля на плоскость n — n — перехода. При плотности тока 3 2E V 0 /cd, где Š— диэлектрическая проницаемость кремния, переход база-коллектор смещается в прямом направлении и из р-базы в и -коллектор инжектируются дырки, компенсирующие избыточный заряд электронов, накапливаемых у перехода. Таким образом, с ростом тока в -коллекторе образуется квазинейтральная, модулированная избыточными носителями заряда область глубиной х„ от перехода, Так как распределение дырок в модулированной области близко к линейному, то величина накопленного избыточного заряда дырок. определяется соотношением

Q = „,/4 D.

С приближением границы модулированной зоны коллектора к л переходу напряженность электрического поля Е »« резко возрастает и при некоторой критической плотности тока,j„ достигает значения

Е „р, достаточного для развития процесса ударной генерации носителей, В этой ситуации реализуются условия лавинной инжекции и возникает

ВП, сопровождающийся дальнейшим сжатием тока и резким спадом напряжения на приборе. Однако развитие ВП можно предотвратить, если контролировать в предпробойной ситуации избыточный заряд Я, дырок, накопленный в слаболегированной области, который можно оценить выражением

g„Р -i a uê,/F-„ ) к i4D > где К вЂ” коэффициент, учитывающий отклонение реального распределения электрического поля от его линейной аппроксимации.

Для транзисторов с однородным слаболегированным коллектором коэффициент К имеет значение порядка единицы, а для транзисторов с диффузионным и — п — переходом К увеличивается до двух.

В мощных высоковольтных транзисторах при равномерном распределении плотности тока по площади эмиттера условия возникновения лавинной инжекции обычно не выполняются даже при максимально допустимых значениях 1„. . Однако при включении, а также после потери тепловой устойчивости однородное распределение эмиттерного тока резко нарушается, поэтому ВЛ, обусловленный лавинной инжекцией, наб1246030 людается как на коротких, так и относительно продолжительных испытательных импульсах. Сильное сжатие тока в СТ,независимо от причины,его вызвавшей, сопровождается, как было рассмотрено выше, процессом накопления избыточного заряда неосновных носителей в слаболегированной области структуры. Сам процесс накопления избыточного заряда имеет непосредственно электрическую, а не тепловую природу и характеризуется постоянной времени в переходном режиме, близкой к времени пролета носителями модулированной зоны, т.е. х„ /49

Типичное значение 7 составляо ет десятки-сотни наносекунд, Следовательно, предлагаемый способ контроля ВП позволяет проводить испытание СТ на очень коротких импульсах, а также на фронтах импульсов при переключении, исключая сильный перегрев структуры прибора при испытаниях.

Таким образом достигается увеличение выхода годных приборов и повышение быстродействия контроля ВП.

Предлагаемый способ контроля применим также для испытаний СТ на более коротких импульсах, длитель-ность которых t меньше времени пролета (. В этом случае величина критиО ческого заряда уменьшается практически пропорционально отношению

35 t /

Следовательно, быстродействие контроля может быть значительно увеличено, а время нахождения СТ в предпробойном состоянии — сведено до минимума, ограниченного возможностью точного измерения накопленного за время действия испытательного импуль45 са заряда

Для повышения точности контроля

ВП предлагается дополнительно измерять величину максимального значения послеинжекционной ЭДС "„ на коллектор50 ном переходе СТ в режиме холостого хода коллектора, а затем рассчитать по приведенному соотношению эффективную площадь сечения области концентрации тока, по резкому уменьшению которой судят о предпробойном состоянии, По величине U, используя соотношение Больцмана, можно оценить граничную концентрацию неосновных

1246030 носителей T(0) в модулированной области коллектора:

Р (1)) =- 1 охР (Li /2 )N

5 где 1, — собственная концентрация электронов в кремнии.

В предпробойном состоянии значение Р(0) растет более быстро, чем величина заряда Д, так как одновременна с накоплением заряда происходит дальнейшее сжатие тока и увеличение эффективной площади эмиттера 5 . Поскольку

P(O) 2à !qX„S = À,Q/D)qs то в режиме, близком к критическому, Г(O) резко возрастает с уменьшением

S, Таким образом, появляется дополнительная воэможность исследовать щ механизм сжатия тока и оценить эфи II, фективную площадь горячего пятна

S =II Q/Ç 1х1,1/Я ехР(0„/2 1,)

В качестве критерия предпробойного состояния может быть использовано уменьшение величины 5 до критического значения: кр 2)к0/Е р 11

В качестве примера осуществления предлагаемого способа производят контроль ВП высоковольтных мощных транзисторов, включенных по схеме ключа с общей базой, При этом непос- 35 редственно после подачи на СТ испытательного импульса по току и напряжению проводят измерения и:збыточного заряда носителей, накопленного в слаболегированной области коллектора,Ю с помощью непосредственного измере-; ния заряда обратного восстаноьления перехода база-коллектор. устройство, реализующее предлагаемый способ содержит импульсный 45 генератор 1 эмиттерного тока, базовый резистор 2 и прямой диод 3, включенные последовательно, переключатель обратный диод 5,зарядную емкость 6, причем переключатель 4, диод 5, 50 включенный в проводящем направлении для обратного тока базы, и емкость 6 соединены между собой последовательно и шунтируют прямой диод 3, шунт коллекторного тока 7 и источник 8 коллекторного напряжения, включенные последовательно в выходной цепи СТ„ а также измерительные приборы 9 —. 11, с помощью которых контролируется напряжение на переходе база-коллектор, напряже. ние на емкости 6, пропорциональное накопленному заряду в коллекторной области СТ, и падение напряжения на шунте 7, пропорциональное коллекторному току, Выбором амплитуды импульса эмиттерного тока и коллекторного напря;кения испытуемый СТ вводится в заданный режим прямого базового смещения, При этом через базовый резистор 2 и диод 3 протекает импульс прямого базового тока. По окончании импульса тока эмиттера прямой диод

3 восстанавливается и при замкнутом положении переключателя 4 через диод 5 и емкость 6 протекает обратный базовый ток, равный коллекторному, пока переход база-коллектор не восстановит свои запирающие свойства, Так как обратный базовый ток достаточно велик и восстановление перехода происходит быстро, то напряжение на емкости 6 оказывается пропорциональным заряду избы"точных носителей, накапливаемых в структуре СТ в течение испытательного импульса. Момент локализации тока в предпробойном состоянии СТ легко обнаруживается по резкому возрастанию контролируемого напряжения на емкости 6 вплоть до крити ческой величины, соответствующей началу развития ВП.

Для дополнительного измерения величины послеинжекционной ЭДС на базо-коллекторном переходе в режиме холостого хода цепи база-коллектор переключатель 4 размыкают и непосредственно после окончания импульса эмиттерного тока измеряют

0„. импульсным вольтметром 9, Технически более просто контролировать величину критического заряда в предпробойной ситуации косвенными методами, например измерением времени восстановления перехода в специальном тестовом режиме. Способ контроля ВП, использующий в качестве критерия предпробойного состояния зеличину избыточного заряда неосновных носителей, может быть распространен на другие подупроводниковые приборы, содержащие р-<-переходы. Кроме того, способ малокрити1246030

Составитель С,Гуменюк

Редактор Н. Егорова Техред И. Попович

Корректор М.Шароши

Заказ 3996/39 Тираж 728

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г,ужгород, ул.Проектная, 4

7 чен к форме испытательных импульсов, что дополнительно расширяет его возможности и позволяет проводить испытания СТ в условиях, близких к реальным условиям применения. .Таким образом, способ контроля

ВП СТ позволяет существенно повысить быстродействие контроля ВП, умень; шить вероятность деградации СТ и повысить выход годных приборов при испытаниях, а также приблизить условия испытаний СТ к реальным условиям их применения.

Формула изобретения

Ф

1 . Способ контроля в торичного пробоя силовых транзисторов включающий подачу в выходную цепь испытуемого прибора испытательного импульса напряжения и тока, последовательное увеличение его длительности, амплитуды тока и напряжения до критических значений, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения быстродействия контроля, неЭ посредственно после окончания каждого испытательного импульса измеряют величину Я заряда неосновных носителей тока в слаболегированной области структуры испытуемого прибора и сравнивают с критической величиной, рассчитываемой по формуле

Я.г К (> 2" к I E „) 1. i4 D где Я„- критическая величина заряда неосновных носителей тока; оЗ вЂ” ширина слаболегированной области;

9 — коэффициент амбиполярной диффузии;

Е 1,2 10 В/см — критическая напряженность электрического поля в кремнии; — длительность испытательного импульса;

К вЂ” коэффициент зависящий

1 от типа транзистора; — критические значения амплитуды тока и напряжения испытательного импульса и при И Й„ фиксируют максимальные значения длительности, амплйтуды тока и напряжения, по которым судят о предпробойном состоянии испытуемых приборов.

2. Способ по п. 1 отличающ .и и с я тем, что, с целью повышения точности контроля, дополнительно измеряют величину максимального значения послеинжекционной ЭДС на коллекторном переходе испытуемого прибора в режиме холостого хода транзис" тора, по резкому уменьшению эффективной площади сечения области концентрации тока судят о предпробойном

ЗО состоянии, при этом эффективную площадь S определяют из соотношения

5 =т7„Я/37 п, exp(u, /2ч где 1, — равновесная концентрация носителей в слаболегирован35 ной области; — заряд электрона; ч, — температурный потенциал;

U„. — максимальное значение послеинжекционной ЭДС.