Способ контроля вторичного пробоя силовых транзисторов Советский патент 1986 года по МПК G01R31/30 

соба можно пояснить на приь1ере СТ р - п - п -типа. С ростом тока в и-коллекторе,, за счет возникновения неоднородно распределенного поля образуется квазинейтральная область, модулированная избыточными носителями заряда, величина которого и выбирается в качестве критерия предпробойного состояния СТ. В выходную цепь испытуемого прибора- подают испытательные импульсы, после каждого из которых измеряют величину неосновных носителей тока в слаболегируемой области структуры прибора. При превьЕпении ее значения расчетной критической величины фиксируют параметры импульсов и судят о предпробойном состоянии испытуемы

Изобретение относится к технике измерения предельных параметров силовых транзисторов (СТ) и может быть использовано, например, при исследовании области безопасной работы СТ в режиме переключений.

Целью изобретения является повышение быстродействия контроля, а также повьшение точности контроля ВП СТ за счет измерения эффективной площади сечения области концентрации тока,

Hd чертеже приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Согласно предлагаемому способу в качестве критерия-предпробойного состояния используется величина избыточного заряда неосновных носителей, а также величина эффективной площади эмиттера. .

Критерий предпробойного состояния СТ не связан непосредственно с развитием теплового процесса, а является следствием неоднород - ного распределения тока по площади структуры, что способствует высокому быстродействию способа и увеличению выхода годных приборов. Кроме того,способ не требует выполнения условия квазистационарности испытуемого импульса по отношению к контролируемому параметру пред46030

приборов, с целью повьшения точности контроля5 дополнительно измеряют величину максимального значения послеинжекционной ЭДС на коллекторном переходе испытуемого прибора в режи1ме холостого хода транзистора. По резкому уменьгаению эффективной площади сечения области концентрации тока судят о предпробойном сос.тоя- нии. Схема устройства, реализующего данный способ содержит импульсный генератор 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 9,1 0,11. 1 з,п, ф-лы, 1 ил.

пробойной ситуации, причем само характеристическое время установления фиксируемого процесса накопления заряда очень мало и опреде- л яется временем пролета носителями тока участка слаболет иро- ванной области структуры.

Сущность предлагаемого способа можно пояснить на примере СТ

р-п -п -типа следующим образом. С увеличением коллекторного тока, протекающего через СТ при фик- сированно1|1 напряжении и , согласно эффекту Кирка распределение электрического поля Е в слаболегированной :гг-области i коллектора изменяется. При малых токах I СТ находится в активном режиме, причем максимум электрического поля находил-

ся у p-h-перехода база-коллектор. С ростом тока максимум поля снижается и при плотности тока j : q V N I ,где Uu- скорость насыщения электронов; N i- уровень легирования п-областй , в коллекторе наблюдается однородное распределение воля,

. Дальнейшее увеличение плотности тока сопровождается перемещением

максимума напряженности поля на плоскость п - перехода. При плотности тока j, 2 V U /cJ, где - диэлектрическая проницаемость кремния, переход база-коллетор смещается в прямом направлении и из р-базы в h -коллектор инжектируются дырки, компенсирующие избыточный заряд электронов, накапливаемых у перехода. Таким образом, с ростом тока в гГ-коллекторе образуется квазинейтральная, модулированная избыточными носителями заряда область глубиной х от перехода. Так как распрделение дырок в модулированной области близко к линейному, то величина накопленного избыточного заряда дырок определяется соотношением

Q D.

С приближением границы модулированной зоны коллектора к - переходу напряженность электричес кого поля Е „ резко возрастает и

КС

при некоторой критической плотности тока.) достигает значения , достаточного для развития процесса ударной генерации носителей В этой ситуации реализуются условия лавинной инжекции и возникает ВП, сопровождающийся дальнейшим сжатием тока и резким спадом напряжения на приборе. Однако развитие ВП можно предотвратить, если контролировать в предп)обойной ситуации избыточньй заряд ( дырок, накопленный в слаболегированной области, который можно оценить выражением

9,-K(uJ-2U,/b,, . где К- коэффициент,учитывающий отклнение реального распределения электческого поля от его линейной аппроксмации .

Для транзисторов с однородным

слаболегиров-анным коллектором коэффициент К имеет значение порядка единицы, а для транзисторов с диффузионным п -п - переходом К увеличивается до двух.

В мощных высоковольтных транзисторах при равномерном распределении плотности тока по площади .эмиттера условия возникновения хавинной инжекции обычно не выполняются даже при максимально допустимых значениях I.. . Однако при

К

включении, а также после потери тепловой устойчивости однородное распределение эмиттерного тока резко нарушается, поэтому ВП, обусловленный лавинной инжекцией, наб46030

людается как на коротких, так и j относительно продолжительных испытательных импульсах.Сильное сжатие тока в СТ,независимо от причины,его г вызвавшей, сопровождается, как было рассмотрено выше, процессом накопления избыточного заряда неосновных носителей в слаболегированной области структуры. Сам процесс накоп Q ления избыточного заряда имеет непосредственно электрическую, а не тепловую природу и характеризуется постоянной времени t в переходном режиме, близкой к времени пролета

15 носителями модулированной зоны, т.е.

1,х; /4D ;

Типичное значение 7 составляо

ет десятки-сотни наносекунд. Следова- 2Q тельно, предлагаемый способ контроля ВП позволяет проводить испытание СТ на очень коротких импульсах, а также на фронтах импульсов при переключении, исключая сильный перег- 25 рев структуры прибора при испытаниях. Таким образом достигается увеличение выхода годных приборов и повышение быстродействия контроля ВП.

Предлагаемый способ контроля применим также для испытаний СТ на более коротких импульсах, длитель-- ность которых t меньше времени пролета 1 . В этом случае величина критического заряда уменьшается практически пропорционально отношению

Vt..

Следовательно, быстродействие контроля может быть значительно уве- . личено, а время нахождения СТ в

предпробойном состоянии - сведено до минимума, ограниченного возможностью точного измерения накопленного за в.ремя действия испытательного импульса заряда.

Для повышения точности контроля ВП предлагается дополнительно измерять величину максимального значения послеинжекционной ЭДС Uj на коллекторном переходе СТ в режиме холостого хода коллектора, а затем рассчитать по приведенному соотношению эффективную площадь сечения области концентрации тока, по резкому уменьшению которой судят о предпробойном состоя30

5

0

5

НИИ.

По величине Uj , используя соотношение Больцмана, можно оценить граничную концентрацию неосновных

носителе Р(0) в модулированной области коллектора:

Р (6 ) - h е X р I и , / 2 Ч ) N i

IJ Т (J

где h|- собственная концентрация

электронов в кремнии. В предпробойном состоянии значение Р(0) растет более быстро, чем величина заряда Q , так как од- новременно с накоплением заряда происходит дальнейшее сжатие тока и увеличение эффективной площади эмиттера S . Поскольку

P(0)- Q/ X S- rr Q/D/HS

то в режиме, близком к критическому Р(0) резко возрастает с уменьшением 5, Таким образом, появляется дополнительная возможность исследовать механизм сжатия тока и оценить эффективную площадь горячего пятна ;

) N / hSxpCUj/ f)

В качестве критерия предпробойно го состояния может быть использовано уменьшение величины 5 до критического значения:

ЙКР ,реи

в качеств е примера осуществления предлагаемот о способа производят контроль ВП высоковольтных мощных транзисторов, включенных по схеме ключа с общей базой. При этом непос- редственно после подачи на СТ испытательного импульса по току и напряжению проводят измерения- избыточного заряда носителей J, накопленного в слаболегированной области коллектора с помощью непосредственного измере-; ния заряда обратного восстановления перехода база-коллектор,

УстройстЕЮ, реализующее предлагаемый способ содержит импульсный генератор эмиттерного тока, базовы резистор 2 и прямой диод 3, включенные последовательно, переключатель 4 обратный диод 5,зарядную емкость 6 причем переключатель 4, диод 5, включенный в проводящем направлении для обратного тока базы, и емкость 6 соединены между собой последовательно и шунтируют прямой диод 3, шунт коллекторного тока 7 и источник 8 коллекторного напряжения, включенные последовательно в выходной цепи CTj, а также изме5

tQi

го

0

5 0

.5 0 3

рительные приборы 9 - 1, с помощью которых контролируется напряжение на переходе база-коллектор, напряжение на емкости 6, пропорциональное накопленному заряду в коллекторной области СТ, и падение напряжения на шунте 7, пропорциональное коллекторному току.

Выбором амплитуды импульса эмиттерного тока и коллекторного напряжения испытуемый СТ вводится в заданный режим прямого базового смещения. этом через базовый резистор 2 и диод 3 протекает импульс прямого базового тока. По окончании г-дапульса тока эмиттера прямой диод 3 восста.навливается и при замкнутом положении переключателя 4 через диод 5 и емкость 6 протекает обратный базовый ток, равный коллекторному, 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- точньж 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 крити- ческо й Е1еличины, 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 змиттерного тока измеряют U; импульсным вольтметром 9. ТехниJ

чески 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 величину избыточного заряда неосновных носителей, может быть распространен на другие подупроводнико- вые приборы, содержащие p-i-nepe- ходы,Кроме того, способ малокрити7

чен к форме испытательных импульсов, что дополнительно расширяет его возможности и позволяет проводить испытания СТ в условиях, близких к реальным условиям применения.

.Таким образом, способ контроля ВП СТ позволяет существенно повысить быстродействие контроля ВП, умень v шить вероятность деградации СТ и повысить выход годных приборов при испытаниях, а также приблизить условия испытаний СТ к реальным условиям их применения.

Формула изо бретения J5

1.Способ контроля вторичного . пробоя силовых транзисторов включающий подачу в выходную цепь испытуемого прибора испытательного импульса напряжения и тока, последовательное ув.еличение его длительности, амплитуды тока и напряжения до критических значений, отличающийся тем, что, с целью повы- щения быстродействия контроля, непосредственно после окончания каждог испытательного импульса измеряют величину Q заряда неосновных носителей тока в слаболегированной области структуры испытуемого прибора щ сравнивают с критич еской величиной, рассчитьшаемрй по формуле

Q,,K(uJ- 2UJE,,)4,Mr,

QKP критическая величина заряда неосновных носителей тока;

и) - ширина слаболегированной области;

Составитель С.Гуменюк Редактор Н.Егорова Техред И.Попович

Заказ 3996/39 Тираж 728

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

.Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

10

5

0

5

Е -1,2 460308

D - коэффициент амбиполярной диффузии;

В/см - критическая напряженность электрического поля в кремнии;

t- длительность испытательного импульса;

К - коэффициент, зависящий от типа транзистора; критические значения амплитуды тока и напряжения испытательного импульса

и при Q ЗКР фиксируют максимальные значения длительности, амплй уды тока и напряжения, по которым судят о предпробойном состоянии испытуемых приборов.

2. Способ по п. 1, отличаю- щ -и и с я тем, что, с целью повышения точности контроля, дополнительно измеряют величину максимального значения послеинжекционной ЭДС на коллекторном переходе испытуемого прибора в режиме холостого хода транзис тора, по резкому уменьшению эффективной площади сечения области концентрации тока судят о предпробойном 0 состоянии, при этом эффективную площадь S определяют из соотношения

5

)/ .(Uj/24 ), где ja - равновесная концентрация

носителей в слаболегированной области; с, - заряд электрона; ц - температурный потенциал/ U; - максимальное значение посJ

леинжекционной ЭДС.

Корректор М.Шароши Подписное

Изобретение относится к технике измерения предельных параметров силовых транзисторов (СТ). Может быть использовано при исследовании области безопасной работы СТ в режиме переключений. Целью изобретения является повьтение быстродействия контроля, а также повьшение точности контроля вторичного пробоя (ВП) СТ. Сущность предлагаемого споW