半导体器件寿命影响因素分析及处理方法

半导体器件寿命影响因素分析及处理方法

摘要：随着半导体器件的广泛使用，其寿命指标受到业界普遍关注。半导体器

件寿命的延续是一种性能退化过程，最终导致失效。造成这种退化的原因很多，

如人为使用不当、浪涌和静电击穿等，但通过一定的预防措施和增加必要的附加

电路可以有效延长半导体器件的寿命。

关键词：半导体器件；寿命；处理办法

作为现代信息社会基础的半导体材料和器件有着相当重要的地位，半导体电

子器件本身就具有很多不错的优点，不管是在工业上，还是在电力设备当中，半

导体电子器件的应用越来越多。可是，半导体电子器件也是存在着或多或少的不

足之处，再加上自身的特点，所以在设计使用的时候要注意。电子元器件是产品

的最小组成部分, 其可靠性高低直接影响着在此基础上设计的产品可靠性。尤其

是微电子技术的发展使得集成电路的可靠性愈来愈重要, 若其可靠性得不到保证,

不仅影响最终产品的可靠性, 还会影响研制进度、信誉及经济效益。

1 半导体电子器件的发展

随着科学技术的快速发展，电子器件的功能也就越来越强大了。人类的发展

对器件的需求也推动了半导体器件的发展，而半导体的发展又带动了器件的发展。

1)真空电子管。关于真空电子管的意思是指把电子引导进入真空的环境之中，用加在栅极上的电压去改变发射电子阴极表面附近的电场从而控制阳极电流大小，由此来把信号放大。真空电子管的材料有钨、钼、镍、钡锶钙氧化物等等，再以

真空电子学为理论依据，利用电子管制造工艺来完成工作。

2)固体晶体管。固体晶体管具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制

等多种功能。固体晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关不同，固体晶体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关

速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。

2 半导体器件的退化和失效

大量试验表明，半导体器件的失效随时间的统计分布规律呈浴盆状，失效期

包括早期的快速退化失效、中期的偶然失效与后期的快速损耗失效。早期快速失

效一般是由半导体材料本身原因造成；中期偶然失效期的时域较宽，在此期间导

致半导体器件失效的原因具有一定的偶然性；后期失效概率较高，主要由各种损

耗积累与综合爆发引起。由此可知，只要通过初期的严格筛选，同时加强质量管

理和改进生产工艺，防止偶然失效，半导体器件就能获得较长的寿命。如图所示。

3 半导体器件寿命影响因素及预防措施

PN 结是半导体器件的核心，对电压冲击的承受能力很差，一旦被击穿，便无法产生非平

衡载流子。在使用过程中，半导体器件的损坏多半是由浪涌或静电击穿造成的。浪涌是一种

突发性的瞬间电信号脉冲，具有很强的随机性，一般表现为尖脉冲，脉宽很窄，但峰值较高，容易使半导体器件瞬时过压造成PN 结击穿，即使不致于一次性使半导体器件产生完全失效，但在多次浪涌的冲击下也会加速它的性能退化和最终失效。在电路的使用过程中，出现比较

多的浪涌是开启或关断电源时抑或器件接触不良时产生的电压/ 电流冲击，以及由于电网波

动或其它大功率电器启动而产生的电压/ 电流冲击。另外，静电也是造成PN 结损坏或击穿的

重要原因。

1)短路保护开关。为半导体器件并联一个电阻较小的短路保护开关是一种简单的消浪涌

方法。当需要启动半导体器件电源时，先闭合短路保护开关，让启动电源瞬间产生的浪涌经

短路保护开关放电，待电源工作稳定后，断开短路开关，稳定的电源便可正常工作于半导体

器件。当需要关闭电源时，先闭合短路保护开关，然后断开电源开关，以避免瞬间电流浪涌

损坏半导体器件。实践证明，该方法对消除开关驱动电源时瞬间产生的电压/ 电流浪涌冲击

是可行的。但也存在不足，即该方法不仅给半导体器件操作员增加了一部分繁琐的工作量，

且无法消除来自外电路的浪涌所带来的影响。

2)电源软启动电路。为解决以上不足，可采用电源软启动电路，该电路不但可以消除电

源启动/ 关闭瞬间产生的浪涌，还可以保证半导体器件两端避免突然加上阶跃电压，因为这

种上升沿很陡的电压，即使幅值很低，也会对半导体器件产生不良影响，如图。

（a）和（b）给出了有/ 无采取软启动情况下半导体器件驱动电流I 随时间t 的变化。在

没有电源软启动电路的情况下接通电源开关，驱动电源会产生幅度较大的电流浪涌，随后经

过过渡过程才趋向稳定。采用电源软启动电路之后，工作电压不会瞬间加在整个稳流电路上，而是在一定的时间内，电流从零开始逐渐上升到正常工作值。利用RC 充电原理实现软启动

的电源电路，电路中的R1、C7、C8、Q1、Q2 为电压缓慢上升电路，电路两边增加了两个π

型滤波器电路，防止电流突变。该软启动电路可以使得半导体器件两端的电压逐渐加上，不

会产生浪涌信号对半导体器件带来破坏。

3)数字电路中浪涌消除电路。在很多情况下，半导体器件的管脚不是通过焊接而是直接

插入管座中，然而管脚和插座接触不良或者机械振动都会造成时通时断而产生连续多个电压

浪涌。另外，某些功能控制开关和功率调节开关接触不良或动作瞬间也会产生连续多个电压

浪涌。在数字电路中，这些电压浪涌幅值较低（波形表示为短脉宽的高/ 低电平"1" 和"0"），这些浪涌边沿很陡，呈高低电平交替状态，若未经处理直接将它加在半导体器件两端会影响

其寿命，同时也会给系统带来干扰。电路中的CLNR 是触发器清零信号，K1_in 和K2_in 表示

两组带有浪涌的输入信号，K1_out 和K2_out 表示所对应的经过消浪涌后的输出信号。电路

采用了分频采样、移位寄存和计算判断方法，采用4个D 触发器连续对输入信号K1_in 进行

移位采样，并随时钟信号的触发寄存于数组K1中。若数组中相邻两个数据都为高电平就默

认为高电平"1"，其它情况则表示低电平"0"。用逻辑最简公式表示为：

K1_out=K11K12+K13K14+（!K11）K12K13（!K14）。由于半导体管脚和插座接触不良或机械振

动等现象引起的连续电压浪涌扫描周期一般不超过10 ms，因此电路中采用了频率为200 Hz、周期为5 ms 的clk_200 时钟信号进行数据移位寄存。当输入信号K1_in 在低电平输入过程中

连续出现多个脉宽小于或等于10 ms 的高电平浪涌时，输出信号K1_out 仍为低电平；当输入

信号K2_in 在高电平输入过程中连续出现多个脉度小于或等于10 ms 的低电平浪涌时，输出

信号K2_out 仍为高电平。由此可知，该电路能很好地消除连续出现的浪涌，作为半导体器件浪涌消除电路可有效延长半导体器件寿命指标，并具有良好的抗浪涌信号干扰的能力。另外，从信号延时来看，该电路的输入信号仅有5 ms 的时序延时，与同类的浪涌消除或抖动信号消除电路相比较，该延时较小。

随着半导体器件生产工艺日趋成熟，其应用范围已覆盖了国防、工业、科研和民用等领域，并发挥着重要的作用，因此，有必要针对它的寿命特性和延寿方法开展进一步的研究，

分析了影响半导体器件寿命的主要原因，讨论了浪涌和静电的特点及其预防措施，分别给出

了应用于模拟电路和数字电路中的电源软启动电路和连续浪涌消除电路，电路结构简单，性

能良好，值得推广。

参考文献：

[1] 路国光.基于失效机理的半导体器件寿命模型研究[J].可靠性物理与失效分析技术，2017，25（6）：15-18.

[2] 雷志峰. 单bar 大功率半导体激光器寿命评价技术[J]. 红外与激光工程，2016，41（9）：

2.

[3] 吕长志，李志国.电子元器件加速寿命试验方法的比较[J].半导体技术，2016，31（9）3.