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二极管采用失效分析中的电测试技术分析

2025-11-17 13:42:04

    失效分析中的电测试是无损失效分析中最重要的步骤。对于半导体器件而言,器件的失效机理是失效分析中的重点关注。所以,与失效机理密切相关的测试(如漏电测试等)需要有比较深入的了解。

这里以Si基二极管为例,对二极管的正向导通压降VF、击穿电压BV、反向漏电IR等参数的测试,这些参数是失效分析中最关键的参数,这些参数的结果反映了流片工艺中的缺陷密切相关。

导通压降测试

    当对理想PN结施加外加电压时会有电流流过,但是其电流与电压的关系是非线性的,外接正向电压时,如果电压达到了某个电压VF的值时(正向导通压降),则会有明显的电流流过,而且当电压再稍加增大时,电流就会陡增。反过来,如果通过电流源提供电流信号,电流从阳极流向阴极,电压表来采集二极管两端电压,这也就测试得到了某个应用条件下(电流值下)的二极管导通压降值,以此判断此器件该参数的异常情况。

像一些大功率的二极管,因长期工作在大电流条件下,会导致欧姆接触退化,会导致导通压降增大,最终器件可能会因功耗增大而烧毁,对于这种失效模式,可对其进行正向压降的测试,以此验证其是否发生退化,避免后续热失控烧毁。

反向漏电流测试

反向漏电测试则是在外加电压的情况下,二极管的阳极接低电位,阴极接高电位,此时二极管处于阻断状态,几乎没有电流流过。这种状态称为截止或偏向偏置,仍然会有微弱的反向电流流经二极管,称为反向漏电流。

这个反向漏电流数值越低,则表示二极管反向偏置的截止性能越好。这个数值还和温度有着密切的关系。对于P+N结,反向漏电IR的公式为:

其中DpN型衬底中的少子扩散系数,LpN型衬底中的少子扩散长度,Pn0N型衬底中的平衡少子浓度。

反向漏电流的异常可能是由以下几个因素引起:

表面玷污,导致表面的Si-SiO2界面产生陷阱电荷,从而起到了复合的作用,引起表面负荷电流增加。这个电流相当于在结上并联了一个电阻,在外界电压的作用下,电流主要不是通过PN结流动,而是直接以表明漏电流的方式逸出。

衬底缺陷问题,如衬底点缺陷、位错、层错等等都会使得PN结特性改变。

击穿电压测试

击穿电压的测试则是在一般的反向电压下,PN结的反向电流很小,但当反向电压增大到一定一定值(BV)时,反向电流会突然变得很大,这个就是二极管的反向击穿。击穿电压存在一个突变的过程,在这附近,漏电流会有一个剧烈上升。

    引起反向击穿的机理有:雪崩倍增、隧道效应和热击穿三种。其中,电击穿就是雪崩倍增和隧道效应,它们的特点是击穿是非破坏性的,在外界电压撤掉后二极管特性可以恢复。这个有一个前提,就是二极管处于恒定的温度下。

    而热击穿则是破坏性的,因反向漏电流正相关于本征载流子浓度,而本征载流子浓度随结温的上升而迅速增加,所以反向漏电流具有正温度系数,结温的升高会使得漏电流增大,这就会在电流和结温之间形成了正反馈,结温升高使得电流增加,电流增加使得损耗增大,损耗增大又会使得结温升高,从而进一步导致电流又增大。这个过程不受控制的进行下去,最终就会导致二极管烧毁,这就是热击穿的过程。

热击穿的在BV测试中需要绝对避免,可以采用限制击穿电流来进行脉冲测试。

击穿电压的测试方法需要二极管处于反偏状态,二极管的阳极接低压端,阴极接高压端,步进式增加电压,测试得到相应漏电流,当漏电流增大到大于规定数值时,可认为这个点的电压就是器件的击穿电压。

二极管的击穿电压异常还包括低击穿、软击穿、分段击穿、击穿特性蠕变和双线击穿等:

低压击穿异常是指,二极管的击穿电压低于规定值,这潜在的原因有衬底材料缺陷、外延层厚度不均匀、P区或N区掺杂不均匀等;

软击穿则是指,二极管在反向偏压下,IV曲线没有明显的转折点,反向电流在电压较低时就开始逐渐增大。这个过程类似于漏电流逐渐增大的过程;

分段击穿则是指局部作用下导致的击穿,表现为器件反向电压超过一定值时,反向漏电流随电压线性增加,而器件反向偏压增大到击穿电压BV时,器件又会呈现正常的雪崩击穿。这潜在原因有外延层中缺陷过多或PN结界面处不平坦;

击穿蠕变则是,PN结的击穿特性不稳定,击穿电压测试每次结果差异较大。有随时间减小或增大。产生击穿蠕变的原因可能有二极管表面玷污,包括可动离子等,这些玷污会改变表面电场分布,继而导致击穿不稳定;

双线击穿则是电压从0BV时的击穿特性和电压由BV0时的击穿特性不同,这种击穿表明PN结稳定性差,其原因也可能和可动离子玷污相关。

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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