IGBT及其子器件的四种失效模式介绍
减小硅表面的非饱和键;
(2) 制备工艺中使用的石英器皿,气体和化学试剂均提升纯度级别,尽量减小Na离子的污染含量;
(3) 研发新的绝缘栅介质系列:
·Si3N4——Si,Si3N4——SiO2——Si;
·Al2O3——Si,Al2O3——SiO2——Si。
以上措施,对低压微功耗的微电子的应用,已证明MOS与MOSIC是可靠的。但是对于电力电子应用的场合:高电压,大电流和工作温度范围较宽。特别是,静电放电电压接近栅极击穿电压而又未穿栅极时,例如上文所示接近100V时,仍有隐忧:
(1) 较高栅电压下,阈值电压漂移较大,图3示出P沟硅栅MOS在高栅电压下的。由图3可见,栅电压VG=40V时,=4V。
(2) PT—IGBT在高温栅偏压下阈值电压漂移。图4给出PT—IGBT(IRG4BC20F)在(1)栅已射极Gge=20V,Vce=OV(HTGB)和(2)Vge=0V,Vce=0.8V(HTRB)在140℃,经过1200小时的应力试验结果。由图4中的HTGB曲线可见,栅偏置试验开始后100小时内,时线性增加,随后趋于稳定。
(3) 电可擦只读存贮器(electrically erasable read-only memory,简称EEROM)的存贮单元是氮化硅(Si3N4)—二氧化硅(SiO2)构成的双层绝缘栅的MOS管,它利用栅极注入电荷来改变ROM存贮单元的状态。
(4) MOS是一种单极,多数载流子器件,按半导体器件理论,它的抗辐射,主要是抗γ射线的能力应该比双极、少数载流子器件强,但是,实际情况刚相反。这说明MOS的绝缘栅结构在辐射场下有较大的损伤和电荷交换。
(5) 以上4种情况说明,MOS阈值电压漂移在电力电子的应用条件,即高电压(接近栅击穿电压)、大电流和高温(接近pn结临界温度150℃)时,是一种导致器件和电路失效的潜在参数,似乎仍需系统考察和修订老化条件。所以,将称作是一种可能隐藏的失效模式。
4、 IGBT寿命期限内,有限次数短路脉冲冲击的累积损伤失效
在寿命期限内,IGBT会遇到在短路、雪崩等恶劣条件下工作,它能承受短路脉冲冲击的次数是有限的,并和相关条件有关。
4.1非穿通型(NPT)IGBT的鲁棒性
NPT—IGBT的鲁棒性见图5,被测器件是SGW15N120。在540V 125℃时测试。X轴是耗散的能量。Y轴是器件直至损坏的短路周期次数。
由图5可见,在给定条件下,器件有一个临界能量:
EC=V·I·TSC=1.95J(焦耳)
式中,TSC是短路持续时间
当E>EC时,,第一次短路就使器件失效。
当EEC时,大约要经历104次短路以上,器件会因周期性的能量累积退化使它失效。
当E=EC时,器件失效模式不明确。当能量等于或稍等于EC时,器件关断后,器件的拖尾电流,经过一段延迟时间td f ,将导致热击穿。这段延缓性失效时间为微秒级。
图6给出不同短路续时间TSC,IGBT测量的短路电流波形。
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