PN結(jié)異常特性I-V曲線.ppt

1、1PN結(jié)異常特性曲線.,要區(qū)分異常特性曲線，首先要了解PN結(jié)正常特性曲線，如圖11、圖12，凡是與PN結(jié)正常曲線不同的一般統(tǒng)稱為異常PN結(jié)曲線。由于構(gòu)成PN結(jié)的材料、結(jié)構(gòu)、工藝不同，對(duì)于相同的異常特性曲線，其失效機(jī)理也不完全相同。,（1）軟擊穿,當(dāng)PN結(jié)加反向偏壓VR時(shí)，反向電流IR 在低壓下就開始增加，在伏安特性曲線上， 沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如圖13. 產(chǎn)生軟擊穿的原因: A：PN結(jié)表面被水汽和雜質(zhì)沾污，硅二氧化硅表面存在界面陷井電荷，均起復(fù)合中心作用引起表面電流，增加半導(dǎo)體表面導(dǎo)電能力。在外加電壓下，電流不是經(jīng)具有反偏高阻的PN結(jié)流過，而是從表面流走的表面漏電流。 B:擴(kuò)散雜質(zhì)濃度過低，尚未

2、形成良好的PN結(jié)。 C:材料缺陷多，二次缺陷多，重金屬雜質(zhì)沾污，碳的沉積、重金屬雜質(zhì)在位錯(cuò)上的沉積等，均可形成軟擊穿特性。但這種原因造成的軟擊穿往往有雪崩擊穿轉(zhuǎn)折點(diǎn)。,（2）“靠背椅”擊穿,當(dāng)PN結(jié)加反電壓時(shí)，在低壓下場(chǎng)感應(yīng) 被擊穿。當(dāng)IR上升到比正常值大得多的 飽和值，由于反向擊穿曲線如靠背椅， 故稱這種擊穿稱為“靠背椅”擊穿。如圖14。 “靠背椅”擊穿產(chǎn)生的原因： a:表面雜質(zhì)沾污或氧化層污染，形成表面溝道所致。 b:外延層雜質(zhì)補(bǔ)償太大，熱氧化時(shí)，由于二氧化硅有吸硼排磷作用，會(huì)使硅-二氧化硅界面P區(qū)表面硼減少而磷增多，使P區(qū)反型成N區(qū)，造成永久性溝道。也是造成“靠背椅”擊穿的主要原因。,1

3、為飽和溝道特性 2為非飽和溝道特性 圖14 “靠背椅”擊穿特性曲線,（3）分段擊穿 當(dāng)所加反向電壓超過VPB時(shí)，反向電流IR 隨反向電壓近乎線性的增加，當(dāng)VR增加VB 發(fā)生正常的雪崩擊穿。分段擊穿是局部作 用引起的擊穿。如圖15。 分段擊穿產(chǎn)生的原因： a:外延層中層錯(cuò)，位錯(cuò)密度過高 b:光刻窗口未刻凈、光刻邊緣不整齊 c:表面存在擴(kuò)散層后，引起的合金點(diǎn)、破壞點(diǎn) d:結(jié)不平坦，使PN結(jié)結(jié)面上有尖峰突起 e:歐姆結(jié)未燒好 f:氧化層缺陷，呈電阻特性，隨VR增加，將呈現(xiàn)曲線抖動(dòng)的分段擊穿。,圖15 分段擊穿特性曲線,（4）低擊穿 是指在PN結(jié)所加反向偏壓遠(yuǎn)低于理論值發(fā)生的低壓硬擊穿。如圖16。 產(chǎn)

4、生擊穿的原因： a:外延層有霧缺陷、外延層太薄 b:集成電路中，隱埋層上方存在氧化層針孔。 c:如果前面分段擊穿中，PN結(jié)面上的尖峰面積較大，電阻很小，也會(huì)形成低擊穿。 d:外延層厚度不均勻、電阻率不均勻，都會(huì)引起擊穿電壓的不均勻。,（5）二次擊穿 晶體管在反向電壓的作用下產(chǎn)生的 雪崩擊穿稱作一次擊穿。雪崩擊穿后， 電流在結(jié)的部位局部集中，產(chǎn)生大量 的熱載流子。載流子增多，電流增大， 從而產(chǎn)生更多的熱量，激發(fā)更多的載 流子。如此連鎖反應(yīng)，形成惡性循環(huán)， 在極短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)電流突然增大， 電壓突然降低的負(fù)阻現(xiàn)象。如圖17。 二次擊穿產(chǎn)生的原因： a:擴(kuò)散不均勻，發(fā)射極電流分配不均勻等，形成PN結(jié)

5、內(nèi)部的熱電擊穿。 b:局部工藝缺陷，造成電流集中產(chǎn)生的熱擊穿。,圖17“二次擊穿”特性曲線,（6）擊穿特性曲線蠕變 PN結(jié)擊穿后，特性曲線發(fā)生蠕 變。它有兩種情況，一種是隨著 測(cè)試時(shí)間的增加，擊穿電壓不斷 減小，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)擊穿回線；另 一種是隨著測(cè)試時(shí)間的增加，擊 穿電壓不斷增加。如圖18 產(chǎn)生擊穿蠕變的原因： 第一種情況：主要是表面沾污引起的，包括導(dǎo)電物質(zhì)的沾污或氧化層中鈉離子的沾污。由于表面上吸附的某些導(dǎo)電物質(zhì)，經(jīng)熱處理后附著較牢固，必須在較強(qiáng)的電場(chǎng)中才能激活。 第二種情況：主要是由于鈉離子的沾污造成的。,圖18 擊穿電壓蠕變特性曲線,（7）雙線擊穿特性 圖19、圖20為常見的兩種擊穿性雙

6、線現(xiàn)象，具有這兩種曲線的PN結(jié)，穩(wěn)定性差，往往產(chǎn)生電參數(shù)漂移、早期失效，嚴(yán)重影響可靠性。 產(chǎn)生雙線擊穿的主要原因： 主要是管芯表面沾污引起的，隨測(cè)試時(shí)間的增加，特性曲線線尾部抬起，出現(xiàn)雙曲線。,圖19雙線擊穿特性曲線,圖20雙線擊穿特性曲線,（8） 擊穿點(diǎn)附近發(fā)生振蕩 在測(cè)反向擊穿電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn) 特性曲線不穩(wěn)定，特別是在拐 彎處抖動(dòng)厲害。如圖21。 產(chǎn)生振蕩的主要原因： a:測(cè)CE結(jié)反向特性時(shí)，多半是由于發(fā)射極引起間歇通斷。 b:在測(cè)鍺合金擴(kuò)散管時(shí)，由于拋光造成的腐蝕毛刺，或拋光槽中存在導(dǎo)電微粒等沾污引起的，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)曲線背景一片模糊。 c:表面擊穿引起的擊穿不穩(wěn)定，此時(shí)振蕩的位置有高有低。,圖

7、21擊穿點(diǎn)附近發(fā)生振蕩特性曲線,2晶體管異常輸出特性曲線 異常的輸出特性反映了晶體管的結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝中存在的問題，與異常擊穿特性結(jié)合起來分析，有利于我們更快地找出確切的失效機(jī)理。 （1）管道型擊穿 如圖22，它是因一種局部擊 穿造成的。如局部位錯(cuò)、層 錯(cuò)、合金點(diǎn)、破壞點(diǎn)或光刻 邊緣毛刺等所引起的低壓擊 穿。對(duì)于NPN管，硼擴(kuò)散前 N型雜質(zhì)、灰塵的沾污也將 形成管道型擊穿輸出特性。,圖22 管道型擊穿輸出特性曲線,（2）小注入時(shí)小 如圖23，在小電流注入時(shí)， 較小的幾根Ib線靠的很近， 甚至并在一起，很小。 發(fā)生小的主要原因： 發(fā)射結(jié)勢(shì)壘復(fù)合作用和表面復(fù)合作用強(qiáng)，使得小注入時(shí)大部分載流子被

8、復(fù)合掉，因而很小。發(fā)射結(jié)勢(shì)壘 復(fù)合作用強(qiáng)可能是由于發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)有比較多的復(fù)合中心雜質(zhì)是材料缺陷造成的。表面復(fù)合作用往往是由于表面處理不好引起的，也與管芯圖形有關(guān)。在制造微波低噪聲器件時(shí)，由于發(fā)射區(qū)和基區(qū)雜質(zhì)濃度比102，基區(qū)濃度偏高也會(huì)發(fā)生注入時(shí)小的現(xiàn)象。,圖23 小電流注入小輸出特性曲線,（3）特性曲線傾斜 圖24為輸出特性曲線傾斜， Ib=0曲線是平的，隨著Ib增 大，曲線傾斜比較嚴(yán)重。通 常還伴有大和擊穿電壓低 的特征。 特性曲線傾斜的主要原因： 當(dāng)Vce增加時(shí)，由于基區(qū)太薄而產(chǎn)生顯著的基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)。因?yàn)殡娊Y(jié)勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)展，有效區(qū)寬度減小，增大，因而在同樣Ib條件下，IC就隨著Vce增大

9、而上升?；鶇^(qū)太薄往往是由于發(fā)射區(qū)雜質(zhì)擴(kuò)散掌握不夠，擴(kuò)散深度太大引起的。,圖24輸出特性曲線傾斜,（4）漏電流很大 圖25為漏電流很大時(shí)的輸 出特性。Ib=0時(shí)曲線也是傾 斜的，表明器件Iceo大。 漏電流很大產(chǎn)生的原因： 表面沾污、外延層質(zhì)量差、均勻性差、位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷太多。有時(shí)基區(qū)硼擴(kuò)散時(shí)薄層電阻太高，表面容易耗盡或反型，也會(huì)使漏電流增大。,圖25漏電流大的輸出特性曲線,（5）飽和壓降大 圖26為輸出特性起始部 分傾斜度大，說明集電極 串聯(lián)電阻大 。 飽和壓降大的主要原因： 產(chǎn)生飽和壓降大的原因較多，例如，引線孔的氧化層未刻干凈；蒸鋁層太薄，合金化不良；外延層太厚；管芯與底座接觸不良等。,

10、圖26飽和壓降過大時(shí)的輸出特性曲線,（6）輸出特性漂移 其特點(diǎn)是隨著測(cè)試時(shí)間 延長(zhǎng)，值增大。如圖27 產(chǎn)生特性曲線漂移的主要原因： PNP管在熱電應(yīng)力下，特性曲線漂移伴隨著溝道漏電流增加，擊穿電壓降低，主要是芯片表面沾污造成的。 NPN管，由于芯片表面吸附水分，使氧化膜表面呈現(xiàn)帶正離子特性，導(dǎo)致晶體管表面勢(shì)壘增加，從而減少了表面復(fù)合速度，增大，表面吸附水分越多，增大越快，漂移效應(yīng)越顯著。,圖27輸出特性曲線漂移,（7）大注入時(shí)減小 圖28為大注入時(shí)減小 的輸出特性。當(dāng)Ib較大時(shí)， 隨著Ib的增大，發(fā)現(xiàn)特性 曲線密集，說明下降。 產(chǎn)生的原因很多，例如由于基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使大注入時(shí)發(fā)射效率下降，

11、集電極空間電荷效應(yīng)使大注入時(shí)有效基區(qū)寬度增大；基區(qū)自偏壓效應(yīng)，使大注入時(shí)發(fā)射率下降。,圖28 大注入時(shí)減小的輸出特性曲線,（8）兩飽和特性 如圖29其特點(diǎn)是低壓較大 電流區(qū)域，特性曲線密集、 傾斜，在飽和區(qū)與工作區(qū) 之間出現(xiàn)一個(gè)準(zhǔn)飽和區(qū)， Icm不能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)， 隨Ic增大很快下降。 兩段飽和壓降產(chǎn)生的主要原因： 集電極電阻率太高，外延層有較高阻夾層，外延層太厚等。除對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行特性曲線測(cè)試外，還應(yīng)根據(jù)各類器件的不同特性進(jìn)行功能和電參數(shù)測(cè)試，以便弄清被分析器件的真正失效原因。,圖29兩段飽和輸出特性曲線,3用晶體管特性圖示儀測(cè)試IC管腳電特性分析失效原因。,采用晶體管圖示儀對(duì)IC管腳之間

12、的電特性測(cè)試,對(duì)集成電路進(jìn)行失效分析是一種最簡(jiǎn)單最有效的無損分析技術(shù),首先用晶體管特性圖示儀,對(duì)與失效IC相同型號(hào)的正常器件管腳進(jìn)行電特性測(cè)試,再對(duì)失效IC的管腳做一一對(duì)應(yīng)測(cè)試,可以找出異常管腳的失效部位,再根據(jù)異常特性曲線,判定失效原因。 .下面列出集成電路管腳之間所測(cè)得的典型曲線。對(duì)于出現(xiàn)異常的特性曲線可參照前面介紹的異常PN結(jié)特性曲線的失效原因進(jìn)行分析。,（1）開路,如兩管腳出現(xiàn)如圖30所示的特性曲線，說明兩管腳之間加電壓后無電流呈開路狀態(tài)。在測(cè)試時(shí)，圖示儀Y軸應(yīng)放到uA檔。,圖30.IC兩管腳開路特性曲線,（2）短路,如兩管腳出現(xiàn)如圖31所示的特性曲線，說明兩管腳之間在加很低電壓就出現(xiàn)

13、較大電流，說明兩管腳沒有壓降呈短路狀態(tài)。圖示儀X軸應(yīng)放到每格1伏以下。,圖31.IC兩管腳短路特性曲線,（3）電阻,如兩管腳之間出現(xiàn)如圖32所示的特性曲線，說明兩管腳之間存在電阻,圖32.IC兩管腳有一個(gè)電阻的特性曲線,（4）PN結(jié)與電阻并聯(lián),如兩管腳之間出現(xiàn)如圖33所示的特性曲線?？赡軆晒苣_之間是一個(gè)正向PN結(jié)與一個(gè)電阻并聯(lián)。如圖34電路原理圖。在判定此曲線時(shí)，對(duì)硅材料的PN結(jié)，一般在0.6V以前，所加電壓與電流應(yīng)呈線性關(guān)系。對(duì)于鍺材料的PN結(jié)，一般在0.2V以前,所加電壓與電流應(yīng)呈線性關(guān)系。,圖33 IC兩管腳有一個(gè)正向二極管與電阻并聯(lián)的特性曲線,圖34.二極管與電阻并聯(lián)的電路原理圖,（5

14、）PN結(jié)與電阻串聯(lián),如兩管腳之間出現(xiàn)如圖35所示的特性曲線，一般可能是一個(gè)正常PN結(jié)與電阻串聯(lián)。在判斷此曲線時(shí)，對(duì)于硅材料的PN結(jié)，一般在0.6V以后，曲線電壓與電流應(yīng)是線性關(guān)系。,圖35.IC兩管腳有一個(gè)正向二極管與電阻串聯(lián)時(shí)的特性曲線,圖36.二極管與電阻串聯(lián)的電路原理圖,（6）PN結(jié)正向特性,如兩管腳之間出現(xiàn)與圖11，PN結(jié)正向特性曲線相同時(shí)，兩管腳之間是一個(gè)正向二極管。如果PN結(jié)線出現(xiàn)異常特性曲線，可按前面介紹的PN結(jié)異常特性曲線對(duì)器件進(jìn)行失效原因分析。,（7）PN結(jié)反向特性,如兩管腳之間出現(xiàn)如圖36所示的特性曲線。一般兩管腳之間存在一個(gè)反向二極管。 對(duì)于內(nèi)引線鍵合點(diǎn)開路或斷續(xù)性開路的集成電路，用性能測(cè)試不一定能顯示出開路的失效特征。因此，在性能測(cè)試之前已懷疑被分析器件可能是開路或斷續(xù)性開路時(shí)，必須對(duì)每一端腳進(jìn)行連通性測(cè)試。大部分雙級(jí)和MOS集成電路的端腳在結(jié)構(gòu)上都有二極管與地或VCC連接。測(cè)定各端腳與襯底間的正向特性,并與器件的原理圖和結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析(最好能與好品的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較)，就能對(duì)開路部位作出初步的判斷。 集成電路各端腳因受襯底或寄生 結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)其特性掃描曲線的 解釋比較復(fù)雜。因而在特性掃描之 前必須對(duì)芯片結(jié)構(gòu)有所了解。,圖36.IC兩管腳是一個(gè)反向二極管的特性曲線,由反向IV特性確定失效機(jī)理,由反向IV特性確定失效機(jī)