Способ контроля вторичного пробоя силовых транзисторов

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВТОРИЧ ПРОБОЯ СИЛОВ 11 Х ТРАНЗИСТОРОВ (57) Изобретение относится нике измерения предельных и ров силовых транзисторов (С быть использовано при иссл области безопасной работы С ме переключений. Целью изоб является повышение быстроде контроля, а также повьппение ности контроля вторичного п (ВП) СТ. Сущность предлагае НОГО У 27й орденаинститут удового чной ме 8.8)идетельство СССРК 31/26, 1977.54-16193,1979. точобояого спое ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(21) 3799976/24-2 (22) 15.10.84 (46) 23,07.86,Бил (71) Ленинградски Красного Знамени ханики и оптики (72) В.А.Рудский (53) 621.382.3 0 (56) Авторское св В 685992, кл, С 0Патент Японии У кл. С 01 К 31/26,к тех- араметТ). Может едовании Т в режиретения йствия1246030 соба можно пояснить на примереСТ п - р - и - и+ -типа. С ростомтока в и -коллекторе, эа счет возникновения неоднородно распределенного поля образуется квазинейтраль -ная область, модулированная избы"точными носителями заряда, величинакоторого и выбирается в качестве критерия предпробойного состояния СТ.В выходную цепь испытуемого прибораподают испытательные импульсы, после каждого из которых измеряют ве"личину неосновных носителей тока вслаболегируемой области структурыприбора. При превышении ее значениярасчетной критической величины фиксируют параметры импульсов и судято предпробойном состоянии испытуемых Изобретение относится к техникеизмерения предельных параметровсиловых транзисторов (СТ) и можетбыть использовано, например, приисследовании области безопаснойработы СТ в режиме переключений.11 елью изобретения является повышение быстродействия контроля, атакже повышение точности контроляВП СТ за счет измерения эффективнойплощади сечения области концентрации тока,На чертеже приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.Согласно предлагаемому способув качестве критерия предпробойного состояния используется величинаизбыточного 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 способствуетвысокому быстродействию способа иувеличению выхода годных приборов,Кроме того, способ не требует выполнения условия квазистационарности испытуемого импульса по отношению кконтролируемому параметру предприборов. С целью повышения точности контроля, дополнительно измеряют величину максимального значенияпослеинжекционной ЭДС на коллекторном переходе испытуемого прибора врежиме холостого хода транзистора.По резкому уменьшению эффективнойплощади сечения области концентрациитока судят о предпробойном состоянии. Схема устройства, реализующегоданный способ содержит импульсныйгенератор 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 - лы, 1 ил,пробойной ситуации, причем самохарактеристическое время установления фиксируемого процесса накопле"ния заряда очень мало и определяется временем пролета носителями тока участка слаболегированной области структуры,Сущность предлагаемого способаможно пояснить на примере СТ10 и - р-и -и -типа следующим образом.С увеличением коллекторного тока, протекающего через СТ при Фик -сированноы напряжении О , согласнокфэффекту Кирка распределение элект 15 рического поля Е в слаболегированной и-областиколлектора изменяет ся, При малых токах 1 СТ нахокдится в активном режиме, причем максимум электрического поля находит 20 ся у р-Н-перехода база-коллектор,С ростом тока максимум поля снижается и при плотности тока= ЧХС 1,где 0- скорость насыщения электронов; М 1- уровень леги 25 рования и"-области, в коллекторенаблюдается однородное распределение поля.. Дальнейшее увеличение плотноститока сопровождается перемещением31 максимума напряженности поля наплоскость и - и - перехода, Приплотности тока 1, 2 с 711 /д,где с. - диэлектрическая проницае мость кремния, переход база-коллектор смещается в прямом направлении и из р-базы в л -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 избыточногозаряда дырок. определяется соотношением( = х 1,/4 В,С приближением границы модулированной зоны коллектора к лпереходу напряженность электрического поля Ерезко возрастает ипри некоторой критической плотности тока,1 достигает значенияЕ р, достаточного для развития процесса ударной генерации носителей,В этой ситуации реализуются условия лавинной инжекции и возникаетВП, сопровождающийся дальнейшимсжатием тока и резким спадом напряжения на приборе. Однако развитие ВП можно предотвратить, есликонтролировать в предпробойнойситуации избыточный заряд Ц , дырок, накопленный в слаболегированной области, который можно оценить выражениемЦ, =К( 1-2 В,/,)1, Н 0,где К - 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 -и"- 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, наб 1246030людается как на коротких, так и относительно продолжительных испытательных импульсах. Сильное сжатие тока в СТ,независимо от причины,его5вызвавшей, сопровождается, как былорассмотрено 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 временив переходном режиме, близкой к времени пролета носителями модулированной зоны, т.е,х /4 ВТипичное значение 7 составляоет десятки-сотни наносекунд, Следовательно, предлагаемый способ контроля ВП позволяет проводить испытание СТ на очень коротких импульсах,а также на фронтах импульсов припереключении, исключая сильный перегрев структуры прибора при испытаниях.Таким образом достигается увеличение выхода годных приборов и повышение быстродействия контроля ВП,Предлагаемый способ контроляприменим также для испытаний СТ наболее коротких импульсах, длитель-ность которых 1, меньше времени пролета, В этом случае величина критического заряда уменьшается практически пропорционально отношению 35/Следовательно, быстродействиеконтроля может быть значительно увеличено, а время нахождения СТ впредпробойном состоянии - сведено доминимума, ограниченного возможностьюточного измерения накопленного завремя действия испытательного импуль 45 са зарядаДля повышения точности контроляВП предлагается дополнительно измерять величину максимального значенияпослеинжекционной ЭДС 11 на коллекторном переходе СТ в режиме холостогохода коллектора, а затем рассчитатьпо приведенному соотношению эффективную площадь сечения области концентрации тока, по резкому уменьшениюкоторой судят о предпробойном состоянии,По величине О , используя соотношение Больцмана, можно оценитьграничную концентрацию неосновныхносителей Р(0) в модулированной области коллектора:Р (6) .=ехР 1 О,/2 ,) Й,),5 где и - собственная концентрацияэлектронов в кремнии.В предпробойном состоянии значение РО) растет более быстро, чем величина заряда Д , так как од б новременно с накоплением заряда происходит дальнейшее сжатие тока. и увеличение эффективной площади эмиттера 5 . Посколькуто в режиме, близком к критическому,Г(0) резко возрастает с уменьшением5, Таким образом, появляется дополнительная воэможность исследовать20механизм сжатия тока и оценить эфи в,фективную площадь горячего пятна5 =11 Я/З 11,1/екр(О/2 Р,)25В качестве критерия предпробойного состояния может быть использовано уменьшение величины 5 до кри" тического значения:кр 21/ер ц,В качестве примера осуществленияпредлагаемого способа производятконтроль ВП высоковольтных мощныхтранзисторов, включенных по схемеключа с общей базой, При этом непосредственно после подачи на СТ испытательного импульса по току и напряжению проводят измерения и:збыточного заряда носителей, накопленного вслаболегированной области коллектора,Ос помощью непосредственного измере-;ния заряда обратного восстаноьленияперехода база-коллектор.устройство, реализующее предлагаемый способ содержит импульсный 45генератор 1 эмиттерного тока, базовыйрезистор 2 и прямой диод 3, включенные последовательно, переключательобратный диод 5,зарядную емкость 6,причем переключатель 4, диод 5, 50включенный в проводящем направлении для обратного токабазы, и емкость 6 соединены междусобой последовательно и шунтируютпрямой диод 3, шунт коллекторного Бтока 7 и источник 8 коллекторногонапряжения, включенные последовательно в выходной цепи СТ а также измерительные приборы 9 в . 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 1, пропорциональное коллектор- ному 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 коллектор- ному, 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 критической 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 О импульсным вольтметром 9, Технически более просто контролировать величину критического заряда в пред- пробойной ситуации косвенными методами, например измерением времени восстановления перехода в специальном тестовом режиме. Способ контроля ВП, использующий в качестве критерия предпробойного состояния зеличину избыточного заряда не- основных носителей, может быть распространен на другие подупроводниковые приборы, содержащие рпереходы. Кроме того, способ малокрити