宇宙射线作用于功率半导体器件.PDFVIP

宇宙射線作用於功率半導體器件 最近幾年來，功率半導體器件如二極體、晶閘管、IGBT 可能在沒有任何器件 老化或超載狀態下突然失效。通常這種現象解釋為宇宙射線引起半導體內部局部擊 穿，最終導致整個器件損壞。這些失效主要是由宇宙射線中能量超過10MeV 的中 子引發的。研究元器件設計需要系統地、充分地測試，測試週期很長且費用昂貴。 為了加快測試速度，通常在宇宙射線密集的地方(例如在Jungfraujoch)或有粒子光 束的地方進行測試。在Jungfraujoch 進行測試的目的是：一、檢查可用器件對宇宙 射線的承受能力；二、將這些測試結果與在高度密集的質子束或中子束中的測試結 果作比較；三、為將來開發元器件建立起適當的設計規範。 測試裝置位於Sphinx天文臺木屋頂下面、面積為0.7平方米的平臺上。用60片 IGBT做實驗，給每個IGBT加上一定的直流電壓，用電腦記錄直流電壓、漏電流對 時間的函數關係。用32mA的保險絲進行保護，當失效器件的漏電流超出了保險絲 的額定值時，保險絲就會熔斷，斷開器件上所加的電壓，從而避免器件過度損壞。 測試所需時間從幾個小時至幾個月不等。 宇宙射線引起器件失效需符合兩個條件：首先漏電流始終不變直到發生故障， 其次是有一些典型的缺陷，比如在矽晶片上的某處有個小點。所有失效率是以宇宙 射線在紐約市（海平面）的中子流量為標準。所使用的比例因數 13 是Jungfraujoch 和紐約市中子流量的比率。 將半導體器件置於質子束和中子束中，進行類似的測試。中子束的能量光譜與 能量以及固定的中子流量成反比（跟宇宙射線中的中子成分一樣）。單能質子束的 能量和流量可變，相應比例因數基於中子或質子與矽材料的橫截面的相似性而定。 在粒子束中測試的時間約為半個小時。不同的測試地點失效率FR 的範圍不同：在 2 5 2 Jungfraujoch (3580 m)失效率的範圍是[10 , 10 FIT/cm ] ，在Lenzburg (400 m) 的 3 6 2 0 4 2 範圍是[10 , 10 FIT/cm ] ，在中子束中的範圍是[10 , 10 FIT/cm ] ，在質子束中的範 -3 4 2 9 圍是[10 , 10 FIT/cm ] 。一個FIT 相當於每 10 器件x 小時數內發生一次失敗。例 如，圖1 對二極體模組在宇宙射線中的失效率與在質子束中測試的失效率進行了比 較，並且給出了計算的模型（見圖 1）。 失效率與中子和質子流量成比例，這一事實表明所觀測到的失效主要是由宇宙 射線的中子成分引起的。請注意失效是由一個粒子觸發的。模型沒有預測，當所加 電壓低於多少後，失效率會大幅度降低。 2000年12月該測試裝置進行了升級，添加了第二個獨立的高壓電源。現在可同 時測量兩個不同電壓等級的器件，大大縮短了整體的測試時間。 圖1 ：由宇宙線和質子引起的二極體模組失效率。當測試電壓小於3200V時，失 效率大大低於預測的失效率。在中子和質子束中進行測試，幾乎所有類型的器件都 顯示出這一特性。設計的目標是，在正常使用的電壓範圍內（該器件電壓 3000V ）， 2 2 9 失效率要小於1 FIT/ cm ，即在每1cm 矽面積上、10 器件x小時數內發生的失效應 該少於1次。