载流子寿命 半导体中的非平衡载流子寿命是半导体的一个基本特性参数，它的长短将直接影响到依靠少数载流子来工作的半导体器件的性能，这种器件有双极型器件和p-n结光电子器件等。但是，对于在结构上包含有p-n结的单极型器件（例如MOSFET）也会受到载流子寿命的影响。 非平衡载流子寿命主要是指非平衡少数载流子的寿命。影响少子寿命的主要因素是半导体能带结构和非平衡载流子的复合机理；对于Si、Ge、GaP等间接禁带半导体，一般决定寿命的主要因素是半导体中的杂质和缺陷。 对于少子寿命有明显依赖关系的电子器件特性，主要有双极型器件的开关特性、导通特性和阻断特性；对于光电池、光电探测器等之类光电子器件，与少子寿命直接有关的特性主要有光生电流、光生电动势等。 （1）少子寿命对半导体器件性能的影响： ①双极型器件的开关特性与少子寿命的关系： 双极型器件的开关特性在本质上可归结为p-n结的开关性能。 p-n结的开关时间主要是关断时间，而关断时间基本上就是导通时注入到扩散区中的少子电荷消失的过程时间（包括有存储时间和下降时间两个过程）。少子寿命越短，开关速度就越快。因此，为了提高器件的开关速度，就应该减短少子寿命。 ②器件的阻断特性与少子寿命的关系： 半导体器件在截止状态时的特性——阻断特性，实际上也就是p-n结在反向电压下反向漏电流大小的一种反映。因此，这里器件的阻断特性不单指双极型器件，而且也包括场效应器件在内。 p-n结的反向漏电流含有两个分量：一是两边扩散区的少子扩散电流，二是势垒区中复合中心的产生电流；这些电流都与少子寿命有关，载流子寿命越长，反向漏电流就越小，则器件的阻断特性也就越好。当载流子寿命减短到一定程度时，反向电流即大幅度地上升，就会产生反向电流不饱和的“软”的阻断特性。 一般，硅p-n结的反向漏电流主要是势垒区复合中心的产生电流，因此载流子的产生寿命将严重地影响到器件的阻断特性。所以注意工艺控制，减小杂质和缺陷的不良影响，对于提高器件的阻断特性至关重要。 总之，为了获得良好的器件阻断特性，要求器件应该具有较长的少数载流子寿命。为此，
课题4.1 半导体器件基本结构 4.2晶体二极管 教学目标【知识目标】掌握PN结单向导体的原理 【能力目标】1.懂得什么是半导体 2.理解PN结的单向导电性 3.掌握半导体的分类 4.懂得半导体的主要参数【德育目标】培养学生的抽象理解能力 教 学重点半导体的主要参数 教 学 难 点 PN结单向导体的原理 教 学时间2课时（第11周） 教 具 准 备 半导体、电阻、电流表 教学组织与实施 教师活动学生活动 【新课导入】 提问1： 【新课讲授】 1.导体绝缘体和半导体 各种物体对电流的通过有着不同的阻碍能力，这种不同的物体允许电流通过的能力叫做物体的导电性能。 通常把电阻系数小的（电阻系数的范围约在0.01~1欧毫米/米）、导电性能好的物体叫做导体。例如：银、铜、铝是良导体。 含有杂质的水、人体、潮湿的树木、钢筋混凝土电杆、墙壁、大地等，也是导体，但不是良导体。 电阻系数很大的（电阻系数的范围约为10~10欧姆·毫米/米）、导电性能很差的物体叫做绝缘体。例如：陶瓷、云母、玻璃、橡胶、塑料、电木、纸、棉纱、树脂等物体，以及干燥的木材等都是绝缘体（也叫电介质）。 举例说明哪些是导体哪些是绝缘体哪些是半导体
导电性能介于导体和绝缘体之间的物体叫做半导体。例如：硅、锗、硒、氧化铜等都是半导体。半导体在电子技术领域应用越来越广泛。 2.PN结 PN结（PN junction）。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。 P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴； N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。 3.PN结的单向导电性 PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN 结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。 如果外加电压使PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏； PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。 (2)PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。 分清楚P型半导体和N型半导体
第一章半导体器件基础测试题（高三） 姓名班次分数 一、选择题 1、N型半导体是在本征半导体中加入下列物质而形成的。 A、电子； B、空穴； C、三价元素； D、五价元素。 2、在掺杂后的半导体中，其导电能力的大小的说法正确的是。 A、掺杂的工艺； B、杂质的浓度： C、温度； D、晶体的缺陷。 3、晶体三极管用于放大的条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 4、晶体三极管的截止条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 5、晶体三极管的饱和条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 6、理想二极管组成的电路如下图所示，其AB两端的电压是。 A、—12V； B、—6V； C、+6V； D、+12V。 7、要使普通二极管导通，下列说法正确的是。 A、运用它的反向特性； B、锗管使用在反向击穿区； C、硅管使用反向区域，而锗管使用正向区域； D、都使用正向区域。 8、对于用万用表测量二极管时，下列做法正确的是。 A、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； B、用万用表的R×10K的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； C、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，红棒接正极，黑棒接负极，指针偏转； D、用万用表的R×10，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； 9、电路如下图所示，则A、B两点的电压正确的是。 A、U A=3.5V，U B=3.5V，D截止；
半导体器件试题库 常用单位： 在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? ε0=8.854×10-12 F/m 一、半导体物理基础部分 （一）名词解释题 杂质补偿：半导体内同时含有施主杂质和受主杂质时，施主和受主在导电性能上有互相抵消 的作用，通常称为杂质的补偿作用。 非平衡载流子：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度， 额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。 迁移率：载流子在单位外电场作用下运动能力的强弱标志，即单位电场下的漂移速度。 晶向： 晶面： （二）填空题 1．根据半导体材料内部原子排列的有序程度，可将固体材料分为 、多晶和 三种。 2．根据杂质原子在半导体晶格中所处位置，可分为 杂质和 杂质两种。 3．点缺陷主要分为 、 和反肖特基缺陷。 4．线缺陷，也称位错，包括 、 两种。 5．根据能带理论，当半导体获得电子时，能带向 弯曲，获得空穴时，能带 向 弯曲。 6．能向半导体基体提供电子的杂质称为 杂质；能向半导体基体提供空穴的杂 质称为 杂质。 7．对于N 型半导体，根据导带低E C 和E F 的相对位置，半导体可分为 、弱简 并和 三种。 8．载流子产生定向运动形成电流的两大动力是 、 。
9．在Si-SiO 2系统中，存在 、固定电荷、 和辐射电离缺陷4种基 本形式的电荷或能态。 10．对于N 型半导体，当掺杂浓度提高时，费米能级分别向 移动；对于P 型半 导体，当温度升高时，费米能级向 移动。 （三）简答题 1．什么是有效质量，引入有效质量的意义何在？有效质量与惯性质量的区别是什么？ 2．说明元素半导体Si 、Ge 中主要掺杂杂质及其作用？ 3．说明费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的实用范围？ 4．什么是杂质的补偿，补偿的意义是什么？ （四）问答题 1．说明为什么不同的半导体材料制成的半导体器件或集成电路其最高工作温度各不相同？ 要获得在较高温度下能够正常工作的半导体器件的主要途径是什么？ （五）计算题 1．金刚石结构晶胞的晶格常数为a ，计算晶面（100）、（110）的面间距和原子面密度。 2．掺有单一施主杂质的N 型半导体Si ，已知室温下其施主能级D E 与费米能级F E 之差为 1.5B k T ，而测出该样品的电子浓度为 2.0×1016cm -3，由此计算： （a ）该样品的离化杂质浓度是多少？ （b ）该样品的少子浓度是多少？ （c ）未离化杂质浓度是多少？ （d ）施主杂质浓度是多少？ 3．室温下的Si ，实验测得430 4.510 cm n -=?，153510 cm D N -=?， （a ）该半导体是N 型还是P 型的？ （b ）分别求出其多子浓度和少子浓度。 （c ）样品的电导率是多少？ （d ）计算该样品以本征费米能级i E 为参考的费米能级位置。 4．室温下硅的有效态密度1932.810 cm c N -=?，1931.110 cm v N -=?，0.026 eV B k T =，禁带 宽度 1.12 eV g E =，如果忽略禁带宽度随温度的变化
第3章元器件的失效物理模型 (前言) 3-1随时间退化的失效模型 3-1-1基于激活能的模型 3-1-1-1阿列尼乌兹和艾林的模型 3-1-1-1-1阿列尼乌兹模型 3-1-1-1-2艾林模型 3-1-1-2温湿度条件下非密封器件的寿命模型 3-1-1-2-1 Peck的模型 3-1-1-2-2 Shirley的模型 3-1-1-2-3其它的模型 3-1-1-3电迁移模型 3-1-1-3-1质量迁移的离子流方程 3-1-1-3-2 Black的模型 3-1-1-3-3直流条件下的通用寿命模型 3-1-1-3-4交流条件下的模型 3-1-1-4随时间退化的电解质击穿模型 3-1-1-4-1///Ref.43 3-1-1-4-2 E模型 3-1-1-4-3 1/E模型 3-1-1-4-4其它模型 3-1-1-5金属的腐蚀模型 3-1-1-6Mobile ions/污染 3-1-1-7Negative Bias Temp Instability (NBTI) 3-1-1-8CFF模型 3-1-1-9IMC增长的模型
第3章 元器件的失效物理模型 正如在前面章节中所已经描述的那样，失效物理模型给出了一个产品失效的数量关系。它包含了失效模型和失效判据两个部分。其中，失效模型量化地描述了产品失效的应力、性能、强度或是寿命随载荷以及时间变化的一个确定的过程或关系，而失效判据在数量上定义了失效发生的条件。针对不同的失效机理，失效模型的形式可以是应力强度模型、寿命模型、性能衰减模型或是强度衰减模型，同时，每种模型又对应着各自形式的失效判据。 3-1与时间相关的失效模型 产品的失效依据其是否具有损伤的时间累积效应而被分为“过应力型失效”和“耗损型失效”，所以，与时间相关的失效模型定量地描述了产品随时间的损伤积累状况，在宏观上表现为性能或是参数随时间的退化。 目前，在电子的可靠性领域，最为常见的失效模型在数学的形式上包括了如下的三种类型：即基于激活能的模型、逆幂率的模型和Coffin-Manson 的疲劳模型。 3-1-1基于激活能的模型 基于激活能的模型是在阿列尼乌兹模型和艾林模型的基础上所建立起来的一系列模型。“激活能”是一个量子物理学的概念，它表征了在微观上启动某种粒子间的重新结合或重组（即宏观上所表现出来的化学反应）所需要克服的能量障碍，所以，这一类模型的物理基础是化学反应速率，因此，它主要用来描述电子产品中非机械（或非材料疲劳）的、取决于化学反应、腐蚀、物质扩散或迁移等过程的失效机理。 3-1-1-1阿列尼乌兹和艾林的模型 阿列尼乌兹模型和艾林模型是激活能模型的基础，这两个模型无论是在本质上还是在形式上都是相当的。其主要的不同点反映在如下的两个方面： y 阿列尼乌兹模型是一个基于实验结果的经验公式，而艾林模型则是一个基于化学和 量子力学的理论结果； y 阿列尼乌兹模型只描述了失效与温度之间的关系，而艾林模型则认为失效与其它类 型应力间的关系也可以在模型中通过类似的数学形式给出。 尽管如此，阿列尼乌兹模型仍然是目前电子产品可靠性领域应用更为广泛的模型，其主要原因在于：虽然艾林模型在理论上更为完备，但在实际的工程使用中并未提供太多与阿列尼乌兹模型相比更多的应用价值。 3-1-1-1-1阿列尼乌兹模型 阿列尼乌兹模型定量地给出化学反应速率与温度的关系。所以，如果一个产品的失效过程取决于这样的一个化学，则阿列尼乌兹模型就给出了产品的寿命。反应环境温度T （绝对温度）下的产品寿命L t ： a E kT L t C e =? (3-1-1) 其中，C 为常数；a E 为化学反应的激活能；k 是波尔茨曼常数。建立在这一模型基础上的
半导体器件失效原因分析 发信站: 紫金飞鸿 (Mon Oct 2 12:02:48 2000) 多年来，用户要求有更可靠的电子设备，而与此同时，电子设备发展得越来越复杂。这两个因素的结合，促使人们更加关注电子设备在长期运行中确保无故障的能力。通过失效分析可以深入理解失效机理和原因，引导元器件和产品设计的改进，有助于提高电子设备（系统）的可靠性。 半导体器件的失效通常是因为产生的应力超过了它们的最大额定值。电气应力、热应力、化学应力、辐射应力、机械应力及其他因素都会造成器件失效。半导体器件的失效机理主要划分成以下6种： 一、包封失效。这类失效发生在用于封装器件的包封出现缺陷，通常是开裂。机械应力或热应力以及包封材料与金属引线之间热膨胀系数的不同都会引起包封开裂，当环境湿度很高或器件暴露在溶剂、清洗剂等中时，这些裂缝会使湿气浸入，产生的化学反应会使器件性能恶化，使它们失效。 二、导线连接失效。由于通过大电流造成过量的热应力、或由于连接不当使连接线中产生机械应力、连接线与裸芯之间界面的开裂、硅中的电致迁移、以及过量的连接压力，都会引起导线连接失效。 三、裸芯粘接故障。裸芯与衬底之间粘接不当时，就会恶化两者之间的导热性，结果会使裸芯过热，产生热应力和开裂，使器件失效。 四、本征硅的缺陷。由晶体瑕疵或本征硅材料中的杂质和污染物造成的缺陷使器件失效，在器件制造期间扩散工艺产生的工艺瑕疵也会造成器件失效。 五、氧化层缺陷。静电放电和通过器件引线的高压瞬时传送，可能会使氧化层（即绝缘体）断开，造成器件功能失常。氧化层中的开裂、划伤、或杂质也会导致器件失效。 六、铝金属缺陷。这类缺陷往往由下列几种情况造成：由于大电场导致在电流流动方向上发生铝的电迁移；由于大电流造成过量电气应力，导致铝导体断裂；铝被腐蚀；焊接引起铝金属耗损；接触孔被不适当地淀积上金属；有小丘和裂缝。 半导体器件应该工作在由生产厂确定的电压、电流和功耗限定范围内，当器件工作在这个“安全工作范围（SOA）”之外时，电气应力过 度（EOS）就会引起内部电压中断，导致器件内部损伤。如果EOS产生大电流，会使器件过热，形成热应力过度而使器件失效，即增加的热应力会导致“二次状态”失效。
半导体器件的贮存寿命 时间:2008-09-03 08:34来源:可靠性论坛作者:张瑞霞，徐立生，高兆丰点击:1291次１引言高可靠半导体器件在降额条件（Tj＝１００℃）下的现场使用失效率可以小于１０－８／ｈ，即小于10FIT，按照偶然失效期的指数分布推算，其平均寿命MTTF大于１０８ｈ，即大于１００００年。据文献报导，电子元器件的贮存失效率比工作失效率还要小一个数量级 １引言 高可靠半导体器件在降额条件（Tj＝１００℃）下的现场使用失效率可以小于１０－８／ｈ，即小于10FIT，按照偶然失效期的指数分布推算，其平均寿命MTTF大于１０８ｈ，即大于１００００年。据文献报导，电子元器件的贮存失效率比工作失效率还要小 一个数量级，即小于１Ｆｉｔ。 国内航天用电子元器件有严格的超期复验规定，航天各院都有自己的相应标准，其内容大同小异［１］。半导体器件在Ι类贮存条件下的有效贮存期最早规定为３年，后放宽到４年，最近某重点工程对进口器件又放宽到５年，比较随意。同时规定，每批元器件的超期复验不得超过２次。 美军标规定对贮存超过３６个月的器件在发货前进行Ａ１分组、Ａ２分组以及可焊性检验［２］，并没有有效贮存期的规定。 在俄罗斯军用标准中，半导体器件的最短贮存期一般为２５年，器件的服务期长达３５年，和俄罗斯战略核武器的设计寿命３０年相适应。 然而，国内对于半导体器件的贮存寿命尤其是有效贮存期有着不同的解释，在认识上存在着误区。国内的超期复验的规定过严，有必要参考美、俄的做法加以修订，以免大量可用的器件被判死刑，影响工程进度，尤其是进口器件，订货周期长，有的到货不久就要复验，在经济上损失极大。 ２芯片和管芯的寿命预计 高可靠半导体器件通常采用成熟的工艺、保守的设计（余量大）、严格的质量控制、封帽前的镜检和封帽后的多项筛选，有效剔除了早期失效器件。用常规的寿命试验方法无法评估其可靠性水平，一般采用加速寿命试验方法通过阿列尼斯方程外推其MTTF，其芯片和管芯的寿命极长，通常大于１０８ｈ，取决于失效机构激活能和器件的使用结温。 随着工艺技术的进展，半导体器件的激活能每年大约增长３％。据报道１９７５年的激活能为０ ６ｅＶ，１９９５年增长到１ ０ｅＶ，其MTTF每隔１５年增长一倍，加速系数每隔５年增长一倍。 化合物半导体器件微波性能优越，可靠性高，自８０年代以来，在军事领域得到了广泛的
半导体元器件的制造工艺及其失效 一、元器件概述 1、元器件的定义： 欧洲空间局ESA标准中的定义：完成某一电子、电气和机电功能，并由一个或几个部分构成而且一般不能被分解或不会破坏的某个装置。GJB4027-2000《军用电子元器件破坏性物理分析方法》中的定义：在电子线路或电子设备中执行电气、电子、电磁、机电或光电功能的基本单元，该基本单元可由一个或多个零件组成，通常不破坏是不能将其分解的。 2、元器件的分类：两大类 a）元件：在工厂生产加工时不改变分子成分的成品，本身不产生电子，对电压、电流无控制和变换作用。 b）器件：在工厂生产加工时改变了分子结构的成品，本身能产生电子，对电压电流的控制、变换(放大、开关、整流、检波、振荡和调制等)，也称电子器件。分类(来源：2007年版的《军用电子元器件合格产品目录》) ? 3、电气元件 （1）电阻
最可靠的元器件之一，失效模式：开路、机械损伤、接点损坏、短路、绝缘击穿、焊接点老化造成的电阻值漂移量超过容差。 ? （2）电位器 失效模式：接触不良、滑动噪声大、开路等。 （3）二极管 （4）集成电路 失效模式：漏电或短路，击穿特性劣变，正向压降劣变，开路可高阻失效机理：电迁移，热载流子效应，与时间相关的介质击穿(TDDB)，表面氧化层缺陷，绝缘层缺陷，外延层缺陷
（5）声表面波器件 （6）MEMS压力传感器 MEMS器件的主要失效机理： a.粘附两个光滑表面相接触时，在力作用下粘附在一起的现象； b.蠕变机械应力作用下原子缓慢运动的现象；变形、空洞； c.微粒污染阻碍器件的机械运动；
d.磨损尺寸超差，碎片卡入； e.疲劳断裂疲劳裂纹扩展失效。 （7）真空电子器件(vacuum electronic device) 指借助电子在真空或者气体中与电磁场发生相互作用，将一种形式电磁能量转换为另一种形式电磁能量的器件。具有真空密封管壳和若干电极，管内抽成真空，残余气体压力为10-4～10-8帕。有些在抽出管内气体后，再充入所需成分和压强的气体。广泛用于广播、通信、电视、雷达、导航、自动控制、电子对抗、计算机终端显示、医学诊断治疗等领域。 真空电子器件按其功能分为： 实现直流电能和电磁振荡能量之间转换的静电控制电子管； 将直流能量转换成频率为300兆赫～3000吉赫电磁振荡能量的微波电子管； 利用聚焦电子束实现光、电信号的记录、存储、转换和显示的电子束管； 利用光电子发射现象实现光电转换的光电管； 产生X射线的X射线管； 管内充有气体并产生气体放电的充气管； 以真空和气体中粒子受激辐射为工作机理，将电磁波加以放大的真空量子电子器件等。 自20世纪60年代以后，很多真空电子器件已逐步为固态电子器件所取代，但在高频率、大功率领域，真空电子器件仍然具有相当生命力，而电子束管和光电管仍将广泛应用并有所发展。[1] 真空电子器件里面就包含真空断路器，真空断路器具有很多优点，所以在变电站上应用很多。真空断路器已被快易优收录，由于采用了特殊的真空元件，随着近年来制造水平的提高，灭弧室部分的故障明显降低。真空灭弧室无需检修处理，当其损坏时，只能采取更换。真空断路器运行中发生的故障以操作机构部分所占比重较大，其次为一次导电部分，触头导电杆等。 二、元器件制造工艺与缺陷 1、芯片制造缺陷的分类： 全局缺陷：光刻对准误差、工艺参数随机起伏、线宽变化等；在成熟、可控性良好的工艺线上，可减少到极少，甚至几乎可以消除。 局域缺陷：氧化物针孔等点缺陷，不可完全消除，损失的成品率更高。 点缺陷：冗余物、丢失物、氧化物针孔、结泄漏 来源：灰尘微粒、硅片与设备的接触、化学试剂中的杂质颗粒。 2、混合集成电路的失效混合集成电路工艺：
1．半导体硅材料的晶格结构是（A） A 金刚石 B 闪锌矿 C 纤锌矿 2．下列固体中，禁带宽度 Eg 最大的是（ C ） Ａ金属Ｂ半导体Ｃ绝缘体 3．硅单晶中的层错属于（ C ） Ａ点缺陷Ｂ线缺陷Ｃ面缺陷 4．施主杂质电离后向半导体提供（ B ），受主杂质电离后向半导体提供（ A ），本征激发后向半导体提供（ A B ）。 A 空穴 B 电子 5．砷化镓中的非平衡载流子复合主要依靠（ A ） A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 6．衡量电子填充能级水平的是（ B ） Ａ施主能级Ｂ费米能级Ｃ受主能级 D 缺陷能级 7．载流子的迁移率是描述载流子( A )的一个物理量；载流子的扩散系数是描述载流子( B ) 的一个物理量。 A 在电场作用下的运动快慢 B 在浓度梯度作用下的运动快慢 8．室温下，半导体 Si中掺硼的浓度为 1014cm－3，同时掺有浓度为 1.1×1015cm－3的磷，则电子浓度约为（ B ），空穴浓度为（ D ），费米能级（ G ）；将该半导体升温至 570K，则多子浓度约为（ F ），少子浓度为（ F ），费米能级（ I ）。（已知：室温下，ni≈1.5×1010cm－3，570K 时，ni≈2×1017cm－3） A 1014cm－3 B 1015cm－3 C 1.1×1015cm－3 D 2.25×105cm－3
E 1.2×1015cm－3 F 2×1017cm－3 G 高于 Ei H 低于 Ei I 等于 Ei 9．载流子的扩散运动产生（ C ）电流，漂移运动产生（ A ）电流。 A 漂移 B 隧道 C 扩散 10. 下列器件属于多子器件的是（ B D ） Ａ稳压二极管Ｂ肖特基二极管Ｃ发光二极管 D 隧道二极管 11. 平衡状态下半导体中载流子浓度n0p0=ni2，载流子的产生率等于复合率，而当np 常见的电子元器件失效机理与分析 电子元器件的主要失效模式包括但不限于开路、短路、烧毁、爆炸、漏电、功能失效、电参数漂移、非稳定失效等。对于硬件工程师来讲电子元器件失效是个非常麻烦的事情，比如某个半导体器件外表完好但实际上已经半失效或者全失效会在硬件电路调试上花费大把的时间，有时甚至炸机。 硬件工程师调试爆炸现场 所以掌握各类电子元器件的实效机理与特性是硬件工程师比不可少的知识。下面分类细叙一下各类电子元器件的失效模式与机理。 电阻器失效 失效模式：各种失效的现象及其表现的形式。失效机理：是导致失效的物理、化学、热力学或其他过程。 电阻器的失效模式与机理 ?开路：主要失效机理为电阻膜烧毁或大面积脱落，基体断裂，引线帽与电阻体脱落。 ?阻值漂移超规范：电阻膜有缺陷或退化，基体有可动钠离子，保护涂层不良。?引线断裂：电阻体焊接工艺缺陷，焊点污染，引线机械应力损伤。 ?短路：银的迁移，电晕放电。 失效模式占失效总比例表 ?线绕电阻： ?非线绕电阻： 失效模式机理分析电阻器失效机理是多方面的，工作条件或环境条件下所发生的各种理化过程是引起电阻器老化的原因。 ?导电材料的结构变化： 薄膜电阻器的导电膜层一般用汽相淀积方法获得，在一定程度上存在无定型结构。按热力学观点，无定型结构均有结晶化趋势。在工作条件或环境条件下，导电膜层中的无定型结构均以一定的速度趋向结晶化，也即导电材料内部结构趋于致密化，能常会引起电阻值的下降。结晶化速度随温度升高而加快。 电阻线或电阻膜在制备过程中都会承受机械应力，使其内部结构发生畸变，线径愈小或膜层愈薄，应力影响愈显著。一般可采用热处理方法消除内应力，残余内应力则可能在长时间使用过程中逐步消除，电阻器的阻值则可能因此发生变化。结晶化过程和内应力清除过程均随时间推移而减缓，但不可能在电阻器使用期间终止。可以认为在电阻器工作期内这两个过程以近似恒定的速度进行。与它们有关的阻值变化约占原阻值的千分之几。 电负荷高温老化：任何情况，电负荷均会加速电阻器老化进程，并且电负荷对加速电阻器老化的作用比升高温度的加速老化后果更显著，原因是电阻体与引线帽接触部分的温升超过了电阻体的平均温升。通常温度每升高10℃，寿命缩短一 半导体器件失效分析的研究Research on Semiconductor Device Failure Analysis 中文摘要 半导体失效分析在提高集成电路的可靠性方面有着至关重要的作用。随着集成度的提高，工艺尺寸的缩小，失效分析所面临的困难也逐步增大。因此，失效分析必须配备相应的先进、准确的设备和技术，配以具有专业半导体知识的分析人员，精确定位失效位置。在本文当中，着重介绍多种方法运用Photoemission 显微镜配合IR-OBIRCH精确定位失效位置，并辅以多项案例。 Photoemission是半导体元器件在不同状态下（二极管反向击穿、短路产生的电流、MOS管的饱和发光，等等），所产生的不同波长的光被捕获，从而在图像上产生相应的发光点。Photoemission在失效分析中有着不可或缺的作用，通过对好坏品所产生的发光点的对比，可以为后面的电路分析打下坚实的基础，而且在某些情况下，异常的发光点就是最后我们想要找到的defect的位置。 IR-OBIRCH(Infrared Optical beam Induced Resistance Change)主要是由两部分组成：激光加热器和电阻改变侦测器。电阻的改变是通过激光加热电流流经的路径时电流或者电压的变化来表现的，因此，在使用IR-OBIRCH时，前提是必须保证所加电压两端产生的电流路径要流过defect的位置，这样，在激光加热到defect位置时，由于电阻的改变才能产生电流的变化，从而在图像上显现出相应位置的热点。 虽然Photoemission和IR-OBIRCH可以很好的帮助我们找到defect的位置，但良好的电路分析以及微探针(microprobe)的使用在寻找失效路径方面是十分重要的，只有通过Photoemission的结果分析，加上电路分析以及微探针(micr oprobe)测量内部信号的波形以及I-V曲线，寻找出失效路径后，IR-OBIRCH才能更好的派上用场。因此，在失效分析中，各个步骤缺一不可。 关键词：失效分析；Photoemission；IR-OBIRCH；微探针（microprobe）; 1．半导体硅材料的晶格结构是（ A ） A 金刚石 B 闪锌矿 C 纤锌矿 2．下列固体中，禁带宽度Eg最大的是（ C ） Ａ金属Ｂ半导体Ｃ绝缘体 3．硅单晶中的层错属于（ C ） Ａ点缺陷Ｂ线缺陷Ｃ面缺陷 4．施主杂质电离后向半导体提供（ B ），受主杂质电离后向半导体提供（ A ），本征激发后向半导体提供（A B ）。 A 空穴 B 电子 5．砷化镓中的非平衡载流子复合主要依靠（ A ） A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 6．衡量电子填充能级水平的是（ B ） Ａ施主能级Ｂ费米能级Ｃ受主能级 D 缺陷能级 7．载流子的迁移率是描述载流子( A )的一个物理量；载流子的扩散系数是描述载流子( B ) 的一个物理量。 A 在电场作用下的运动快慢 B 在浓度梯度作用下的运动快慢 8．室温下，半导体Si中掺硼的浓度为1014cm－3，同时掺有浓度为1.1×1015cm－3的磷，则电子浓度约为（ B ），空穴浓度为（ D ），费米能级（G ）；将该半导体升温至570K，则多子浓度约为（ F ），少子浓度为（ F ），费米能级（I ）。（已知：室温下，ni≈1.5×1010cm－3，570K 时，ni≈2×1017cm－3） A 1014cm－3 B 1015cm－3 C 1.1×1015cm－3 D 2.25×105cm－3 E 1.2×1015cm－ 3 F 2×1017cm－3G 高于Ei H 低于Ei I等于Ei 9．载流子的扩散运动产生（ C ）电流，漂移运动产生（ A ）电流。 A 漂移 B 隧道 C 扩散 10. 下列器件属于多子器件的是（ B D ） Ａ稳压二极管Ｂ肖特基二极管Ｃ发光二极管 D 隧道二极管 11. 平衡状态下半导体中载流子浓度n0p0=ni2，载流子的产生率等于复合率，而当np 电子元器件失效分析技术与案例 费庆学 二站开始使用电子器件当时电子元器件的寿命20h. American from 1959 开始：1。可靠性评价，预估产品寿命 2。可靠性增长。不一定知道产品寿命，通过方法延长寿命。通过恶裂环境的试验。通过改进提高寿命。―――后来叫a.可靠性物理—实效分析的实例b.可靠数学 第一部分：电子元器件失效分析技术（方法） 1．失效分析的基本的概念和一般程序。 A 定义： 对电子元器件的失效的原因的诊断过程 b.目的：0000000 c．失效模式――》失效结果――》失效的表现形式――》通过电测的形式取得 d．失效机理：失效的物理化学根源 ――》失效的原因 1）开路的可能失效机理 日本的失效机理分类：变形变质外来异物 很多的芯片都有保护电路，保护电路很多都是由二极管组成正反向都不通为内部断开。 漏电和短路的可能的失效机理 接触面积越小，电流密度就大，就会发热，而烧毁 例：人造卫星的发射，因工人误操作装螺丝时掉了一个渣于继电器 局部缺陷导致电流易集中导入产生热击穿（si 和 al 互熔成为合金合金熔点更低） 塑封器件烘烤效果好当开封后特性变好，说明器件受潮或有杂质 失效机理 环境应力：温度温度过低易使焊锡脆化而导致焊点脱落。 ， 2．失效机理的内容 I失效模式与环境应力的关系 任何产品都有一定的应力。 a当应力>强度就会失效 如过电/静电：外加电压超过产品本身的额定值会失效 b应力与时间应力虽没有超过额定值，但持续累计的发生 故：如何增强强度&减少应力能延长产品的寿命 c.一切正常，正常的应力，在时间的累计下，终止寿命 特性随时间存在变化 e机械应力如主板受热变形对零件的应力认为用力 塑封的抗振动好应力好陶瓷的差。 f重复应力如：冷热冲击是很好的零件筛选方法 重复应力易导致产品老化，存在不可靠性 故使用其器件：不要过载；温湿度要适当 II如何做失效分析 例：一个EPROM在使用后不能读写 1) 先不要相信委托人的话，一定要复判。 2) 快始失效分析： 取NG&OK品，DataSheet， 查找电源断地开始测试首先做待机电流测试（IV测试） 电源对地的待机电流下降 开封发现电源端线中间断（因为中间散热慢，两端散热快，有端子帮助散热）因为断开，相当于并联电阻少了一个电 阻，电流减小。 原因：闩锁效应应力大于产品本身强度 责任：确定失效责任方：模拟试验－>测抗闩锁的能力 看触发的电流值（第一个拐点的电流值），越大越好，至少要大于datasheet或近似良品的值在标准范围内的。看维持电压（第二个拐点的电 压），若大于标准值，则很难回到原值。若多片良品抽测都OK， 说明使用者使用不当导致。 改善措施：改善供电，加保护电路。 III失效分析技术的延伸 失效分析的关键是打开样品 进货分析：不同的封装厂，在 芯片面积越小（扫描声学检测器，红的部分为空气，可用于辨别尺寸的大小），受应力越小。版本过新的产品也有可能存在可靠性问 题。可能存在设计的问题。 良品分析的作用：可以采取一层一层的分解拍照，找捷径 半导体器件失效分析与检测 半导体元件的失效将直接影响相关产品的正常使用，文章主要就对半导体器件的失效原因进行了细致地分析并提出了几种检测的方法，供相关人士借鉴。 标签：半导体；器件；失效分析；检测 1 半导体器件失效分析 通过分析可知造成半导体器件失效的因素有很多，我们主要从几个方面进阐述。 1.1 金属化与器件失效 环境应力对半导体器件或集成电路可靠性的影响很大。金属化及其键合处就是一个不容忽视的失效源。迄今，大多数半导体器件平面工艺都采用二氧化硅作为掩膜钝化层。为在芯片上实现互连，往往在开窗口的二氧化硅层上淀积铝膜即金属化。 从物理、化学角度分析，金属化失效机理大体包括膜层张力、内聚力、机械疲劳、退火效应、杂质效应及电迁移等。 1.2 晶体缺陷与器件失效 晶体缺陷导致器件失效的机理十分复杂，有些问题至今尚不清楚。晶体缺陷分晶体材料固有缺陷（如微缺陷）和二次缺陷两类。后者是在器件制造过程中，由于氧化、扩散等热处理后出现或增殖的大量缺陷。两种缺陷或者彼此相互作用，都将导致器件性能的退化。二次击穿就是晶体缺陷招来的严重后果。 1.2.1 位错 这种缺陷有的是在晶体生长过程中形成的（原生位错），有的是在器件工艺中引入的（诱生位错）。位错易沿位错线加速扩散和析出，间接地促成器件劣化。事实证明，外表杂质原子（包括施主和受主）沿位错边缘的扩散比在完美晶体内快很多，其结果往往使P-N结的结平面不平整甚至穿通。鉴于位错具有“吸除效应”，对点缺陷如杂质原子、点阵空位、间隙原子等起到内部吸收的作用，故适量的位错反而对器件生产有利。 1.2.2 沉淀物 除位错造成不均匀掺杂外，外界杂质沾污也会带来严重后果，特别是重金属沾污，在半导体工艺中是经常发生的。如果这些金属杂质存在于固溶体内，其危害相对小一些；但是，一旦在P-N结处形成沉积物，则会产生严重失效，使反 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 目录 摘要： (1) 0 前言 (1) 1 静电放电危害及静电放电模型 (2) 1.1 静电产生的物理原理 (2) 1.2 静电放电危害 (2) 1.3 静电放电模型 (2) 2 失效模式与失效机理 (3) 2.1 失效模式 (3) 2.2 ESD失效机理与失效位置 (7) 3 ESD 失效的特征 (8) 3.1人体模型和机器模型ESD失效 (8) 3.2带电器件模型ESD失效 (9) 4 静电放电的防护 (10) 4.1 预防静电释放的外部因素 (10) 4.2预防静电释放的内部因素 (11) 5结论 (12) 参考文献 (12) 摘要： 静电放电对微电子器件的危害越来越受到人们的重视。本文简介了静电的产生及静电释放的危害，介绍了人体模型、机器模型和带电器件模型等模型。然后通过对静电放电过程的研究建立放电模型，分析了静电放电的失效模式和失效机理和其对半导体器件的损坏机理。其中从理论角度突出对ESD失效机理和失效位置的研究；通过借助仪器分析的结果对ESD失效案例的ESD放电模型做了合理推断，这种通过失效分析推断放电路径的方法对于改善ESD保护电路性能和提高ESD防护等级有着重要参考作用。最后论述ESD失效的预防措施，分别从外部措施和内部措施提出预防静电放电的方法。 关键词： 静电放电微电子器件失效模式失效机理失效特征 IC Failure Mechanism Of ESD Abstract: Electrostatic discharge (ESD) damage to IC(Integrated Circuit) has been paid more attention than ever. This paper introduces generation of static electricity, three kinds of ESD models and test methods, and ESD protection circuit. ESD failure mode, failure mechanism, experiment plan and results, and failure signature of some ESD models are discussed. Then This paper tries to start with the physical theory of electrostatic toexplore the progress of ESD and set up the model of ESD. The paper analysesin details the process of ESD and several ESD models and the mechanism of ESD damage semiconductor devices. Key words: ESD Microelectronic Devices Failure Mode Failure Mechanism 0 前言 环境中存在静电，这种静电电压从几百伏到几千伏甚至更高，如果没有任何静电保护结构，集成电路在存储、运输以及使用工程中很容易被静电损伤。静电放电(ESD)是两个靠近的带电体之间电荷再次平衡的过程，当带静电的人或物体与MOS 器件的引脚接触，并通过器件向地或者其他物体放电时，高电压及其产生的大电流可能造成器件的损伤。ESD保护结构能将高压静电转化成瞬态低压大电流，最终将电流泄放，从而达到保护集成电路的目的。ESD保护结构的特征和要求主要有：具有迅速的泄放静电的能力，在静电泄放过程中，保护结构本身不会被损伤。 ESD保护电路的作用在于将出现在芯片管脚上的高电荷按照预先设计好的路径泄放掉，进而防止静电对内部电路的损坏。所以通过对ESD引起失效的器件进行物理失效分析，将有利于改善ESD电路性能和提高ESD防护等级。本文将对静电产生的危害及相关静电模型和ESD失效机理以及失效特征和如何进行预防进行阐述。 1常见的电子元器件失效机理与分析
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