Выходы из строя полевых транзисторов и как они выглядят
Новиков Павел — [email protected]
№ 2’2021
PDF версия
В свое время у специалистов компании «Электрум АВ» возникла необходимость разобраться с систематическими выходами из строя одного преобразователя. Повреждения кристаллов транзисторов выглядели одинаково, но причину никак не удавалось определить. Пробовали понять причину и исходя из характера повреждений кристаллов, но, к своему удивлению, специалисты не нашли в Интернете практически никакой информации о том, как выглядят кристаллы при том или ином выходе из строя. Сейчас, обладая уже собственным материалом на эту тему, инженеры компании решили поделиться наработками в данной области и кратко рассказать и показать читателю, как выглядит выход из строя полевого транзистора. Возможно, эта статья будет полезной разработчикам в их нелегких поисках причины отказов преобразователя.
Представленная информация основана исключительно на практическом опыте эксплуатации преобразователей, а фотографии кристаллов — из приборов, отказавших у потребителя или в процессе наших испытаний.
Транзистор — КП793, то есть MOSFET, но и для IGBT-транзистора текст был бы точно такой же, да и вышедшие из строя кристаллы MOSFET и IGBT выглядят одинаково. Информация краткая, практически тезисная. Приведены описание повреждения, физический процесс (механизм) выхода из строя, внешняя причина такого отказа и типовые ситуации (режимы), в которых отказывает транзистор. В заключение даны общие рекомендации по устранению, разумеется, без общих фраз вроде «снизить нагрузку», «поставить другой транзистор, мощнее» и т. п. В общем, материал для общего развития. Кристалл без повреждений показан на рис. 1.
Рис. 1. Годный кристалл
Выход из строя по перенапряжению
Характеризуется локальным пробоем (замыканием) стока-истока, то есть в кристалле образуется вертикальный токопроводящий канал. Внешне выглядит как точка (рис. 2, верхний правый угол), в остальном кристалл «целый». Впрочем, такой «чистый» выход по перенапряжению — редкость; как правило, после потенциального пробоя возникает ударный ток и кристалл получает уже более существенные повреждения.
Рис. 2. Выход из строя по перенапряжению
Физический процесс: между стоком и истоком очень небольшой зазор, величина которого, по сути, и определяет пробивное напряжение транзистора. Если напряжение сток-исток становится достаточным для преодоления зазора, то, что ожидаемо, образуется «искра», которая локально спекает сток с истоком.
Причина: индуктивные выбросы недопустимой для транзистора амплитуды.
Ситуации: останов электродвигателя, запуск импульсного трансформатора под емкостной нагрузкой.
Устранение: уменьшение амплитуды выброса и/или его активное ограничение, то есть установка снабберных цепей, в частности супрессора, увеличение номинала затворного резистора.
Выход из строя в жестком режиме переключения
Выглядит как побежалость по кристаллу. Причем в отличие от токового пробоя, который всегда локализуется в области истоковых разварок, данные повреждения могут быть где угодно.
Это принципиальное отличие от токового выхода из строя. На рис. 3 показана область между истоковой разваркой и затвором. Часто происходит в районе затвора, не касаясь силовых разварок истока, также часто наблюдается по углам кристалла, то есть это вообще не связанно с затвором или с разварками. В общем, локально может возникнуть почти где угодно, площадью от нескольких мм2 до см2.
Рис. 3. Выход из строя в жестком режиме переключения
Физический процесс: известно, что кристалл транзистора состоит из множества параллельно включенных относительно маломощных транзисторов. В жестком режиме переключения, характеризующемся большим током и напряжением сток-исток в периоды включения/выключения, а главное — большой скоростью нарастания этого тока и/или напряжения, не все транзисторы успевают включиться/выключиться одновременно. Наиболее «быстрые» (локализация по кристаллу, соответственно, ближе к затвору), или транзисторы, на которые приходит главный токовый удар (в районе истоковых разварок), или в какой-то степени «дефектные» транзисторы (углы, края кристалла) получают наибольшую пиковую мощность — еще до того, как эта мощность успела распределиться по всем транзисторам кристалла.
И если все транзисторы такую мощность выдержали бы (если бы было достаточно времени на распределение тока по всему кристаллу), то часть этих транзисторов такую мощность выдержать не может. Как следствие, происходит пробой локальных областей.
Причина: недопустимый di/dt в жестком режиме переключения.
Ситуации: зачастую непредсказуемо, «беспричинно», в любых режимах (в том числе на холостом ходу) и на любых этапах испытаний/эксплуатации.
Устранение: снижение скорости di/dt за счет увеличения номинала затворного резистора.
Выход из строя по току
Выглядит как выгорание истоковой области в районе разварок. В зависимости от длительности воздействия и амплитуды тока размер повреждения может быть самым разным. При кратковременном воздействии — небольшая область под разваркой, сток и исток закорочены (спекание), как на рис. 4. Если ток не был прерван, то спекшиеся сток-исток продолжают греться по причине остаточного омического сопротивления и выгорают полностью.
В этом случае между стоком и истоком будет обрыв, как показано на рис. 5. Если ток был очень большим и протекал за малое время, то транзистор успевает сгореть полностью еще до образования обрыва сток-исток. Характерны следы взрыва, испарение разварочных проволок, полное сгорание кристалла. Яркий представитель — кристалл на рис. 6.
Рис. 4. Выход из строя по току (кратковременный)
Рис. 5. Выход из строя по току (длительный)
Рис. 6. Выход из строя по току (ударный неограниченный)
Физический процесс: недопустимая плотность тока для данного транзистора. И так как плотность тока всегда наибольшая под разварками, то и выгорание всегда начинается именно от разварок. При этом здесь не выделяется отдельная причина как перегрев. Не в плане внешнего нагрева кристалла (отпаивание, окисление и т. п.), а в плане одновременного воздействия тока и температуры. Выход из строя по перегреву — это на самом деле тот же токовый пробой.
С ростом температуры допустимый ток транзистора снижается, и если при нормальных условиях транзистор еще справлялся с коммутируемым током, то на повышенной температуре справиться уже не может. То есть повышается температура — снижается ток выхода транзистора из состояния насыщения. В итоге все тот же выход из строя по току. Но и с другой стороны, выход из строя по току — это всегда перегрев; энергия такой величины, которую кристалл не может рассеять. В общем, в контексте выхода из строя температура и ток — это две стороны одной медали.
Причина: недопустимый ток для данной температуры эксплуатации. Можно выделить две «подпричины»: перегрев и ударный ток.
Ситуации: выход из строя непосредственно при включении преобразователя (пусковые токи) или через относительно длительное время работы под нагрузкой (перегрев).
Устранение: уменьшение нагрузки внешними цепями (управление, ограничение тока, снижение выходного тока) или улучшение теплоотвода.
Непосредственно схемными решениями данные выходы из строя не устранимы.
Резюмируя вышесказанное, логично назвать ровно три причины выхода из строя транзистора с полевым управлением в реальном преобразователе: слишком большое напряжение, слишком большой ток или слишком большая скорость нарастания этого тока. Конечно, если говорить о других причинах выхода из строя кристалла, то существует пробой затвора перенапряжением, выход из строя обратного диода для MOSFET-транзистора (который, к слову, не отличается от выхода из строя сток-исток), механические повреждения кристалла, в том числе при его некорректной пайке, появление микротрещин в результате термоциклирования и т. п. Однако такие выходы из строя относительно редки, просты в своей идентификации, а потому о них и не говорилось. В остальном же все, что интересно было бы узнать практику, надеюсь, сказано.
org/Article»>
С самой работой можно ознакомиться в статье в журнале APL Photonics. Она свободно доступна по ссылке.
Основы, принцип работы, определение, применение
Транзисторные терминалыТипы транзисторовПрименение транзистора
Человеческий мозг содержит 100 миллиардов клеток, которые позволяют нам думать и запоминать вещи.
Точно так же компьютер содержит миллиарды миниатюрных ячеек, известных как транзисторы. Это полупроводниковое устройство, изготовленное из кремния, химического соединения, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронной промышленности с момента их изобретения. Он был изобретен Джоном Бардином, Уолтером Хаузером Браттейном и Уильямом Шокли в 1947. В этой статье мы подробно обсудим транзисторы.
Что такое транзистор?
Транзистор — это электронный компонент, который используется в схемах для усиления или переключения электрических сигналов или питания, что позволяет использовать его в широком спектре электронных устройств. Транзистор состоит из двух PN-диодов, соединенных встречно-параллельно. Он имеет три вывода, а именно эмиттер, базу и коллектор. Основная идея транзистора заключается в том, что он позволяет вам управлять потоком тока через один канал, изменяя интенсивность гораздо меньшего тока, протекающего через второй канал.
Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, способный к усилению и выпрямлению.
Другие статьи о транзисторе
- Типы транзисторов
- Использование транзистора
- Характеристики транзистора
- Биполярный переходной транзистор
- Соединительный транзистор
Клеммы транзистора
Как обсуждалось в предыдущем разделе, транзистор состоит из трех выводов: эмиттер , коллектор, и база . В этом разделе мы подробно обсудим функциональные возможности каждого терминала.
База служит в качестве устройства управления воротами для более крупного электроснабжения. Коллектор представляет собой более крупный источник электропитания, а выход этого источника — эмиттер. Ток, протекающий через затвор от коллектора, можно регулировать, посылая различные уровни тока от базы. Таким образом, очень небольшое количество тока может использоваться для управления большим током, как в усилителях. Транзистор работает как переключатель или как усилитель.
| Физические характеристики клемм
| |
| Основание – Этот сегмент находится в центре транзистора. Он тонкий и слегка легированный. Коллектор – Этот сегмент находится на правой стороне транзистора. Он больше, чем эмиттер, и умеренно легирован. |
- Переход база-эмиттер с прямым смещением
– Имеется поток электронов (дырок) от эмиттера к базе и дырок (электронов) от базы к эмиттеру; однако, поскольку концентрация эмиттерных электронов (дырок) больше, чем базовых дырок (электронов), этот ток в основном состоит из электронов (дырок)
- Переход коллектор-база с обратным смещением
Когда эти эмиттерные электроны (дырки) достигают перехода коллектор-база, они втягиваются через переход в коллектор под действием электрического поля из-за ионов обедненной области.
Различные типы транзисторов и их применение
Существует много типов транзисторов, и каждый транзистор специализируется на своем применении. Но, основная классификация транзисторов такова:
В следующих нескольких разделах давайте подробно изучим эти транзисторы.
Биполярный переходной транзистор
Биполярный переходной транзистор, кратко называемый BJT, представляет собой управляемое током устройство, состоящее из двух PN-переходов для выполнения своих функций. Он конфигурируется двумя способами: NPN и PNP . Среди этих двух наиболее предпочтительным для удобства является NPN-транзистор. Транзистор NPN изготавливается путем помещения материала p-типа между двумя материалами n-типа. Точно так же PNP-транзистор изготавливается путем помещения материала n-типа между двумя материалами p-типа.
Полевой транзистор
Полевой транзистор, кратко называемый FET, является устройством, управляемым напряжением, в отличие от BJT, который является устройством, управляемым током.
Полевой транзистор представляет собой униполярное устройство , что означает, что он изготовлен с использованием материала p-типа или n-типа в качестве основной подложки. Одним из многих его преимуществ является то, что он имеет очень высокий входной импеданс, порядка мегаом. Он имеет много других преимуществ, таких как низкое тепловыделение и низкое энергопотребление.
и полевой транзистор
Теперь давайте посмотрим на различные различия между BJT и FET
.Биполярный переходной транзистор | Полевой транзистор |
Это биполярное устройство | Это однополярное устройство |
Это устройство, управляемое током | Это устройство, управляемое напряжением |
| Низкое входное сопротивление | Высокое входное сопротивление |
| Низкий уровень шума | Высокий уровень шума |
| Меньшая термостойкость | Повышенная термическая стабильность |
Транзистор в качестве усилителя и переключателя
Транзистор в качестве усилителя служит усилителем энергии.
Он входит в полезные вещи, такие как слуховые аппараты, которые являются одним из первых гаджетов, которые люди используют вместо транзистора. Слуховые аппараты состоят из крошечного микрофона, который улавливает звуки окружающего мира и преобразует их в различные электрические токи. Микрофоны также подключены к транзистору, который усиливает крошечный громкоговоритель, и вы слышите гораздо более громкую версию звука вокруг себя.
также работают как переключатели. Небольшой электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может вызвать гораздо больший ток через другую часть. Так работают все компьютерные чипы. Например, микросхема памяти состоит из сотен транзисторов, каждый из которых может включаться и выключаться по отдельности. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух разных состояниях, он может отдельно хранить два числа ноль и единицу. Чип может хранить миллиарды нулей и единиц с миллиардами транзисторов и столько же букв и цифр.
Узнайте больше об этой концепции, перейдя по ссылке: Транзистор как устройство — переключатель и усилитель
Применение транзистора
Полупроводниковые материалы делают возможной работу транзистора.
Большинство из вас должны быть знакомы с электропроводящими и непроводящими материалами. Металлы обычно считаются проводящими. Такие вещи, как пластик, дерево, керамика и стекло, являются изоляторами или непроводниками. Группа ученых обнаружила, как тестировать определенные типы кристаллов и использовать их в качестве электронных устройств управления, используя их полупроводниковые свойства.
Термовыключатель
- Термистор является одним из наиболее важных компонентов в цепи термовыключателя. Это своего рода резистор, реагирующий на температуру окружающей среды. Его сопротивление уменьшается при высокой температуре и наоборот.
- Сопротивление термистора падает, и более высокая доля напряжения питания падает на R, когда на термистор подается тепло. Ток базы увеличивается, а затем увеличивается ток коллектора. В результате загорается лампочка и звучит сирена.
- Эти цепи в основном используются в системе пожарной сигнализации.
Интегральные схемы
- Интегральные схемы состоят из резисторов, транзисторов, диодов и конденсаторов, объединенных с кремниевой пластиной тонкой микросхемы, известной как микрочип.
- Интегральные схемы потребляют меньше электроэнергии, занимают мало места, что уменьшает размер схемы, и могут быть построены с низкими затратами.
Часто задаваемые вопросы – Часто задаваемые вопросы
Кто изобрел транзистор?
В 1947 году Уолтер Хаузер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли изобрели транзистор.
Что такое транзистор?
Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, используемый для усиления и выпрямления.
Какие три вывода у транзистора?
Три вывода транзистора:
Состояние истинное или ложное: полевой транзистор является униполярным устройством.
Что такое биполярный транзистор?
Транзистор с биполярным переходом представляет собой управляемое биполярным током устройство, состоящее из двух PN-переходов для выполнения своих функций.
Следите за новостями BYJU’S и продолжайте влюбляться в обучение!
Как втиснуть миллиарды транзисторов в компьютерный чип
Закон Мура живет
На протяжении десятилетий количество крошечных транзисторов, вставленных в микросхемы интегральных схем, удваивалось каждые два года. Это явление, которое стало известно как закон Мура, означало более быстрые и мощные компьютеры. Но в последние годы прогресс замедлился, а некоторые говорят, остановился по законам физики. Критики говорят, что увеличение количества схем на кремниевых чипах достигло своего предела, и вычисления будут останавливаться на нынешнем уровне, пока не будет найден альтернативный подход.
Мукеш Кхаре не согласен. Кхаре, отвечающий за все исследования в области полупроводников в IBM, считает, что проблемы физики можно преодолеть. Он видит многообещающее будущее в добавлении большего количества транзисторов, мельчайших вычислительных машин.
Стоит ли нам беспокоиться? Абсолютно, говорит Кхаре.
По мере того, как электронные устройства становятся все меньше и все более распространенными, «размещение большего количества транзисторов на микросхеме — это способ, которым мы можем продолжать приносить больше ценности, больше функциональности, меньшую стоимость и меньшее энергопотребление», — объясняет он. И они также имеют решающее значение для больших компьютерных систем. «С системной точки зрения мы продолжаем помещать в чип все больше и больше транзисторов, чтобы иметь все более и более сложные функции, интегрировать их для повышения производительности наших систем и снижения энергопотребления».
Насколько малы 7 нм?
Новые материалы, конструкции и инновации
Так что насчет законов физики? Что ж, на пути к все меньшим чипам простое уменьшение размера транзисторов не является решением. По мере того, как они становятся меньше, их становится намного труднее отпечатывать на чипах. И сам их масштаб и близость могут влиять на электрические свойства.
Например, между ними легче «просачиваться» сигналы.
«Теперь речь идет о новых материалах, новых структурах, новых инновациях, — говорит Кхаре. «Речь идет об инновациях, а не о масштабировании. На физическом уровне мы по-прежнему хотим сделать вещи меньше, но то, как мы это делаем, требует совсем других концепций и идей на более фундаментальном уровне и уровне материалов… Раньше это было больше [о] геометрии».
При таком подходе команда Кхаре в партнерстве с GLOBALFOUNDRIES и Samsung в Колледже нанотехнологий Политехнического института SUNY (SUNY Poly CNSE) добилась этого. В июле 2015 года они представили первые в полупроводниковой промышленности тестовые чипы с нормой 7 нм (нанометры) с функционирующими транзисторами. Этот прорыв может привести к размещению более 20 миллиардов транзисторов на чипе размером с ноготь. Это примерно в 10 раз больше, чем в современных чипах.
Если рассматривать это глубже, учтите, что в большинстве используемых сегодня чипов используется технология 22 нм или 14 нм.
Таким образом, новые транзисторы как минимум вдвое меньше нынешних. И мы говорим о действительно маленьком — в 100 000 раз меньше ширины человеческого волоса и примерно в два с половиной раза больше окружности нити вашей ДНК.
В конце концов, важна скорость, с которой работают эти структуры.
Да он маленький. Но работает ли это?
Выход за пределы лабораторного прорыва в области 7 нм не обошлось без проблем, признает Харе. «Один из фронтов — это возможность построить эти структуры, выгравировать их и сделать физически жизнеспособными», — говорит он. «Другая часть — это электрический аспект. Могут ли работать эти транзисторы? Они должны иметь возможность включаться и выключаться и иметь надлежащую производительность транзистора. В конце концов, важна скорость, с которой они работают. Можем ли мы увеличить их скорость не только за счет физической геометрии, что важно, но и за счет изменения материалов, которые мы используем, или за счет изменения химии, которую мы используем для покрытия и травления этих пленок?»
Чтобы ответить на эти вопросы, исследовательская группа разработала несколько новых процессов и методов.
В производстве транзисторы «печатаются» на кремниевой пластине с помощью сложного процесса, называемого литографией. Для производства 7-нм чипа команда использовала новый тип литографии в производственном процессе, Extreme Ultraviolet или EUV, который обеспечивает огромные улучшения по сравнению с сегодняшней основной оптической литографией. И заменили стандартный кремний на кремний-германий в каналах на микросхемах, проводящих электричество.
Все дело в внедрении новых материалов, новых структур, новых инноваций.
Обучение через изготовление
Кхаре во многом обязан уникальному партнерству и возможностям CNSE. Он называет это «сбывшейся мечтой». Исследовательский центр в Олбани, штат Нью-Йорк, имеет не только лабораторию, работающую круглосуточно и без выходных, но и, благодаря партнерам по инструментам, возможности полноценной «фабрики», исследовательского центра с производственными возможностями.
Это важно, потому что новые чипы должны быть не только небольшими и эффективными, но и экономически выгодными. Если их производство стоит слишком дорого, они не будут успешными.
«Мы можем масштабировать до реальных инструментов, поэтому мы можем быть уверены, что у нас есть нужные свойства, которые будут правильно масштабироваться», — говорит Кхаре. «Мы можем продемонстрировать возможности и структуру на реалистичных потрясающих инструментах». Конечно, это значительно увеличивает уверенность в том, что чипы могут производиться достаточно экономично, чтобы быть коммерчески успешными.
Но сотрудничество распространяется не только на инструменты, но и на все области передовых логических технологий. «Исследования IBM возглавляют эти усилия, и мы работаем рука об руку с другими нашими партнерами, в частности с GLOBALFOUNDARIES и Samsung. Это то, что человек не может сделать в одиночку. Мы должны сделать это вместе».
Следующий шаг: исследование 5-нм чипов
Работа далека от завершения, говорит Кхаре, признавая: «Семь нанометров все еще имеют серьезные проблемы.
Но ведутся исследования, чтобы сделать еще меньшие чипы. На самом деле у нас много работы за пределами 7 нм. Этот поезд продолжает идти».
«В прошлом было много предсказаний конца полупроводниковой технологии, — продолжает он. «Но с объемом инвестиций и количеством инженеров, работающих над этой технологией, всегда есть выход; всегда есть путь, который могут найти все эти блестящие умы и миллиарды долларов инвестиций. Мы уже работаем над технологией 5 нм. Для этого потребуется много-много дополнительных инноваций как в материалах, так и в конструкции. Технология станет сложнее. Это потребует все новых и новых элементов и новых знаний».
И что еще? Он предвидит такие возможности, как изготовление транзисторов в трех измерениях, наложение схем друг на друга и изменение игры с помощью устройств на основе углерода. Команда также изучает возможности повышения ценности небольших микросхем, таких как MRAM или магнитная память, новые способы межсоединений и связывания фотоники.
