Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Модели механизмов шума в полупроводниковых риборах 10
1.1 Виды шумов в полупроводниковых приборах 10
1.2. НЧ шум в различных полупроводниковых приборах 12
1.3 Физические модели механизмов І/f шума в полупроводниковых борах 19
1.3.1 Модель на основе генерационно-фекомбинационной теории 22
1.3.2 Объяснение І/f спектра случайным распределением поверхностного потенциала 23
1.3.3 Генерация НЧ шума, обусловленная подвижностью свободных носителей заряда в поверхностной зоне инверсионных слоев 25
1.3.4 Модель с использованием туннельного эффекта 25
1.4. Возможности НЧ шума как прогнозирующего параметра адежности 27
Выводы к главе 1 34
Глава 2. Методы измерения низкочастотного шума олупроводниковых приборов 35
2.1. Предварительный усилитель 35
2.2. Основной усилитель 35
2.3. Детекторы и фильтры 36
2.4.Корреляционный метод измерения низкочастотного шумов 37
2.5.Установка для измерения низкочастотного шума 38
Выводы к главе 2 45
Глава 3. Способы определения потенциально нанадежных олупроводниковых приборов по низкочастотным умам 46
3.1 Диагностика биполярных транзисторов по шумам переходов 46
3.2. Определение потенциально нестабильных полупроводниковых приборов по ампер-шумовым характеристикам 49
3.3. Способы контроля качества и надежности полупроводниковых приборов с использованием шумов и воздействия электростатических разрядов 54
3.4. Способ определения потенциально нестабильных полупроводниковых приборов 61
3.5. Способ определения потенциально нестабильных полупроводниковых приборов с использованием разности температур...65
3.6. Способ разделения полупроводниковых резисторов по адежности 67
3.7. Влияние электростатических разрядов на значения изкочастотного шума варикапов типа KB 107 70
Выводы к главе 3 72
Глава 4, Сравнительный анализ рассмотренных иагностических методов по различным критериям ...73
4.1. Исследование достоверности новых способов диагностики олупроводниковых приборов на примере транзисторов КТЗЮ2ГМ 74
4.3. Исследование достоверности новых способов диагностики полупроводниковых приборов с использованием ЭСР на примере ранзисторов КТ502А 79
Выводы к главе 4 85
Основные выводы и результаты 86
Список литературы 88
- НЧ шум в различных полупроводниковых приборах
- Основной усилитель
- Определение потенциально нестабильных полупроводниковых приборов по ампер-шумовым характеристикам
- Исследование достоверности новых способов диагностики полупроводниковых приборов с использованием ЭСР на примере ранзисторов КТ502А
Введение к работе
Среди множества проблем современной полупроводниковой электроники особое место занимает проблема качества и надежности выпускаемой продукции. Страны с развитой электронной промышленностью ( США, Япония и др.) ежегодно затрачивают огромные средства на повышение качества и надежности своей продукции [1].
Известно, что в полупроводниковых приборах (ПП) (диодах и транзисторах) на ряде технологических операций возникают внутренние механические напряжения (МН) как результат нагрева (термические МН), легирования (концентрационные МН), нанесения и травления различных функциональных слоев (структурные и межфазные МН). В поле механических напряжений резко ускоряется подвижность точечных дефектов, изменяется их равновесная концентрация и дефектная структура эволюционирует в направлении формирования макроскопических дефектов, наличие которых у ПП резко ухудшает ее надежностные характеристики [2].
Одной из особенностей производства ПП является то, что в каждой выпускаемой партии приборов, полностью соответствующей по качеству и надежности требованиям нормативно-технической документации, то есть техническим условиям (ТУ) и конструкторской документации (КД), имеются приборы, различающиеся по надежности на два и более порядка, то есть присутствуют приборы со скрытыми дефектами, которые могут отказать как в период приработки, так и в период нормальной работы, и приборы, которые обладают повышенной по сравнению с основной массой приборов надежностью. Для устранения из партии потенциально ненадежных ПП проводятся сплошные отбраковочные испытания, включающие испытания при повышенной и пониженных температурах, термоциклирование, электротермотренировку (ЭТТ) и т.п.
Задачей производственников является нахождение такого метода отбраковки ПГТ в процессе их производства, который позволял бы, во-первых, отбраковывать потенциально-ненадежные приборы; во-вторых, заменить длительные и дорогостоящие отбраковочные испытания, например ЭТТ, на диагностические методы, которые были бы не менее эффективными, но более дешевыми.
В настоящее время известно множество диагностических методов отбраковки потенциально-ненадежных ПП (использование т-характеристик, тепловых характеристик, и др.), но достоверность этих методов недостаточна для того, чтобы внедрить один из них в технологический процесс изготовления ПП вместо дорогостоящих отбраковочных испытаний. Поэтому главной задачей в разработке новых и модификации известных методов диагностирования ПП является повышение их достоверности до уровня не менее 90-95 %, что требуют национальные стандарты стран с развитой электронной промышленностью [3].
Наиболее перспективным методом диагностирования ПП из-за простоты его реализации, является метод низкочастотных (НЧ) шумов. Но достоверность этого метода составляет порядка 50 %9 а известные модификации позволяют повысить достоверность данного метода только до 70-80% [4].
Зачастую в производстве возникает необходимость не только отбраковки потенциально-ненадежных ПП, но и выделить из партии группу приборов с повышенным уровнем надежности.
Поэтому считаем, что поиск модернизаций диагностических методов с использованием НЧ шумов с целью повышения достоверности отбраковки потенциально-ненадежных ПП до уровня не менее 90-95 %, что позволило бы внедрить его в производство вместо ЭТТ, с одновременной возможностью диагностического выделения из партии ПП группу приборов, имеющую повышенный уровень надежности, является в настоящее время весьма актуальным.
Работа выполнялась по теме ГБ2004-34 "Исследование полупроводниковых материалов, приборов и технологии их изготовления" и ГБ2001-34 "Исследование и моделирование физических процессов в полупроводниковых материалах и приборах".
Цели и задачи работы. Целью настоящей диссертации является разработка новых диагностических методов отбраковки потенциально-ненадежных ПП на основе измерения НЧ шумов, способных заменить дорогостоящие и длительные отбраковочные испытания как при производстве ПП, так и на входном контроле предприятий- изготовителей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также позволяющих выделять из партии ПП группу высоконадежных приборов. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Спроектировать и разработать установку для измерения НЧ шумов.
2. Разработать новые методы диагностирования потенциально-ненадежных 1111, основанные на измерении НЧ шумов, и изменении шумов до и после воздействия электростатических разрядов (ЭСР).
3. Разработать способ выделения группы ПП повышенной надежности.
4. Провести анализ взаимозависимости новых методов диагностики ПП, сравнение достоверности, получаемых по ним результатов, используя статистические методы.
Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные и технические результаты:
1. На основе непосредственного измерения НЧ шумов ПП разработаны новые диагностические методы:
-способ определения потенциально ненадежных транзисторов на основе сравнения шумов различных переходов биполярных транзисторов;
- два способа разбраковки полупроводниковых приборов на измерении ампер-шумовых характеристик при малых и больших токах.
2. На основе измерения НЧ шумов и воздействия ЭСР разработаны следующие диагностические методы:
- способ определения потенциально ненадежных полупроводниковых приборов (патент N 2230335 от 21.10.2002)
- два способа определения потенциально нестабильных полупроводниковых приборов
3. Разработан способ разделения полупроводниковых приборов по надежности на основе разности температур.
Реализация результатов работы, практическая ценность.
1. Разработана установка для автоматического снятия ампер-шумовых характеристик полупроводниковых приборов. На принцип положенный в основу, подана заявка на изобретение.
2. Разработан способ определения потенциально ненадежных транзисторов, позволяющий путем измерения и сравнения НЧ шумов различных переходов выявить потенциально ненадежные транзисторы. На данный способ получен патент (N 2234163 от 07.04.2003).
3. Разработаны способы определения потенциально ненадежных и потенциально нестабильных полупроводниковых приборов на основе измерения НЧ шума до и после воздействия ЭСР, позволяющие отбраковать потенциально ненадежные и нестабильные транзисторы. На данные способы получены патенты на изобретения (N 2230335 от 21.10.2002, N 2234104 от 26.02.2003, N 2249227 от 27.03.2005).
4. Разработан способ разделения полупроводниковых приборов по надежности на основе разности значений интенсивности шумов до и после температурного отжига после воздействия ЭСР. На данный способ подана заявка на изобретение.
5. Разработаны 2 способа разбраковки полупроводниковых приборов по сравнению ампер- шумовых характеристик приборов. На разработанные способы поданы заявки на изобретения.
6, Разработан способ определения потенциально нестабильных полупроводниковых приборов с использованием разности температур. На данный способ подана заявка на изобретение.
Основные положения и результаты выносимые на зашиту,
1. Принцип работы автоматизированной установки снятия ампер-шумовых характеристик полупроводниковых приборов.
2. Три способа определения потенциально ненадежных ПП, основанных на измерении НЧ шума.
3. Три способа определения потенциально ненадежных ПП, основанных на измерении НЧ шума, воздействии ЭСР и последующего температурного отжига.
4. Способ разделения полупроводниковых приборов по надежности с использованием НЧ шума и разности температур.
5. Сравнительный анализ различных диагностических способов по их достоверности.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических семинарах Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах " (Москва, 2001-2004 гг.), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов (Красноярск, 2002г.), IV Международной научно-технической конференции (Зеленоград, 2002г.), IX международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж 2003), 41 -44 научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2001-2004 гг.).
Публикации
Основные результаты работы изложены в 17 публикациях, 4 патентах на изобретения.
В совместных работах автору принадлежит поиск и разработка принципов новых методов, проведение экспериментов, анализ и обобщение результатов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 98 страниц текста, включая 10 рисунков, 22 таблицы и список литературы из 108 наименований.
НЧ шум в различных полупроводниковых приборах
Приведенные результаты указывают на связь НЧ шума с дефектами. Причем на это указывает и анализ осциллограм НЧ шума в исследуемых образцах, а также в серийных малошумящих транзисторах. Он показывает, что НЧ шум не гладкий, а представляет собой сумму большого числа прямоугольных импульсов различной амплитуды и длительности. Отсюда вытекает, что спектр НЧ шума представляет собой сумму спектров. Механизм генерации шума следующий. Имеется дефект с повышенной плотностью тока и с искривленной вокруг себя зоной проводимости. Ток, текущий через этот дефект, модулируется случайным образом при ерезарядке находящегося рядом гекерационно-рекомбинационного центра. Такой механизм генерации спектра позволяет объяснить их широкий набор по амплитуде и времени [24-26].
НЧ шумы наиболее актуальны для приборов, чьи основные характеристики определяются этими шумами. Примером таких ПП являются фотодиоды и фотоприемные устройства, обнаружительная способность которых определяется отношением сигнала к уровню шума на частоте 800 Гц [27].
В работе [28] сделаны следующие выводы: строенный заряд в диэлектрик может приводить к обогащению приповерхностной низколегированной области фотодиода основными носителями, что приводит к повышению вероятности туннельного прохождения потенциального барьера. езкое повышение тока шума должно наблюдаться при возрастании концентрации носителей в приповерхностной области до 1016...10п см"3. Это повышение уровня НЧ шума может служить критерием допустимого значения встроенного заряда в диэлектрике и выбора диэлектрика, устойчи вого к сохранению низкого значения встроенного заряда при воздействии повышенной температуры хранения. НЧ шумы могут обуславливаться как наличием ловушек в приповерхностном слое диэлектрика, так и началом туннельного процесса в приповерхностной области. Эти два вида шумов отличаются по диапазону напряжения смещения: первый тип может наблюдаться при нулевом интегральном смещении на фотодиоде и обуславливаться микротоками по переферии р-п перехода. НЧ шумы второго типа могут наблюдаться при обратных напряжениях тем больших, чем выше качество диэлектрического покрытия, то есть чем меньше заряд, встроенный в диэлектрик.
Если шумы первого типа можно устранить, введя металлический электрод, препятствующий перезарядке ловушек, то для снижения вероятности появления шума второго типа нужен диэлектрик лучшего качества [29]. Одним из процессов, накладывающих ограничения на область безопасной работы биполярных транзисторов, является вторичный пробой транзистора. Количественной характеристикой устойчивости транзисторов ко вторичному пробою служит энергия Евп, переводящая прибор в состояние вторичного пробоя. Чем больше энергия, тем выше (при прочих равных условиях) эксплуатационная надежность транзистора [30-32], Существующие методы определения Евп относятся к разряду разрушающих, так как в результате испытания прибор подвергается частичной или полной деградации. Поэтому предпринимаются попытки связать Евп с другими параметрами, измерение которых не приводит к ухудшению свойств прибора. В работе [31] сделано сообщение о наличие связи менаду Евп и интенсивностью НЧ шума транзистора. Результат сводится к утверждению, что с ростом уровня НЧ шума растет и ЕВп Однако это утверждение не согласуется с общепринятыми представлениями. Наличие НЧ шума, как правило, обусловлено присутствием в структуре прибора дефектов, причем, чем больше их концентрация, тем выше уровень шума транзистора. Вторичный пробой транзистора наиболее легко развивается по местам локализации дефектов структуры, так как в этом случае Евп минимальна. Напрашивается вывод чем больше дефектность прибора, тем выше уровень НЧ шума и ниже ЕВп Критерием качества изделия служит численное значение показателя степени а в формуле (1.3). По мере роста уровня дефектности структуры величина а имеет тенденцию к уменьшению, обращаясь в предельном случае в нуль [33].
Если шумовые характеристики приборов не подчинены выражению (1.3), то это говорит о том, что в структуре приборов содержатся макродефекты, существенным образом изменяющих зависимость шума от режима работы элемента. Эта группа изделий является производственным браком. При производстве ПП все чаще используются шумовые методы контроля приборов на разных этапах их производства. Особую роль указанные методы могут иметь при производстве силовых приборов, для которых контроль их параметров связан с существенными энергетическими затратами. Объектом исследований в работе [34] являлись мощные высоковольтные диоды с диаметром шайбы кремния 78 мм. Целью работы [34] являлось установление зависимости между шумовыми свойствами диодов и их параметрами с тем, чтобы анализ природы их низкочастотных шумов использовать для выяснения причин технологического брака при их производстве и прогнозирования надежности приборов [35]. Зависимости логарифма квадрата шумового тока от величины смещения в формуле (1.3) имеют вид прямых с наклоном у изменяющимся от 0.6 до 3.6. При этом минимальные значения соответствуют диодам с максимальными пробивными напряжениями и минимальными прямыми падениями напряжения. В работе [36] установлено, что коэффициент у, характеризующий наклон вольт - шумовой характеристики, является критерием качества приборов. Значение его, лежащее в пределах менее 0.3, соответствует приборам, полностью соответствующим техническим условиям. Увеличение значения у приводит к тому, что прибор является потенциально ненадежным [37]. ПП представляет собой сложную композицию разнородных по свойствам и формам материалов, соединенных между собой путем выполнения ряда технологических операций (эпитаксии, диффузии, плавления, напыления, напайки, приварки и т.п.). Известно, что качество и надежность 1111 в значительной степени определяются плотностью и характером распределения структурных дефектов в исходных пластинах полупроводниковых материалов. Вариации плотности дефектов по площади пластин непосредственно влияют на изменения электрофизических свойств и во многом определяют надежность и деградационные свойства готовых изделий [38].
На всех технологических операциях изготовления ПП вводятся дополнительные внутренние механические напряжения [39]. В зависимости от уровня дефектности исходных материалов и стабильности режимов технологических операций каждое ПП характеризуется своим уровнем внутренних напряжений, неоднородных по объему изделия. В поле механических напряжений резко ускоряется подвижность точечных дефектов, изменяется их равновесная концентрация и дефектная структура эволюционирует в направлении формирования макроскопических дефектов, наличие которых в ПП резко ухудшает его надежностные характеристики [40].
Наличие дефектов в структуре ПП неизбежно отражается на ходе процессов, связанных с переносом тока через структуру, что приводит к флуктуациям проводимости и воспринимается во внешней цепи как низкочастотный шум, уровень которого пропорционален скорости деградации структуры [41].
Основной усилитель
Основной усилитель должен удовлетворять следующим требованиям: иметь высокую линейность, содержать ступенчатые и плавные аттенюаторы, включать гетеродин смесителя с достаточно высокой стабильностью частоты.
Наилучший способ проверки линейности усилителя заключается в том, чтобы подключить вход к шумовому диоду, а выход - к квадратичному детектору и построить график напряжения на выходе детектора как функцию тока шумового диода. Если получилась прямая линия, то усилитель действительно линеен. Вакуумные лампы и полевые транзисторы имеют лучшую линейность, чем биполярные транзисторы, и поэтому обычно не используют последние в каскадах усилителя, работающих на детектор.
Можно также проверить линейность усилителя с помощью сигнал -генератора, строя график напряжения на выходе детектора как функцию квадрата входного сигнала. Нужно, однако, иметь ввиду, что шумовой сигнал с данным эффективным значением имеет гораздо большие пиковые амплитуды, чем синусоидальный сигнал с тем же самым эффективным значением. Следовательно, проверка при помощи синусоидального сигнала должна выполняться до больших эффективных значений, чем при использовании шумового сигнала.
Обычно усилитель должен нормально работать в широком диапазоне уровня сигнала. Следовательно, на входе и выходе основного усилителя необходимо помещать ступенчатые и плавные аттенюаторы. Чтобы обеспечить достаточный уровень сигнала на квадратичном детекторе, необходимо использовать между основным усилителем и детектором линейный усилитель [70].
Любой детектор с квадратичной характеристикой может быть использован как измеритель мощности. Термопары имеют квадратичность, близкую к идеальной. Однако они выходят из строя при перегрузке. В этом отношении привлекательней полевые транзисторы, которые имеют квадратичную характеристику.
Для шумовых, измерений можно использовать линейные детекторы. Однако их выходной сигнал пропорционален средневыпрямленному значению шума, так что в процессе вычислений приходиться возводить результат измерений в квадрат. Эта операция отпадает при использовании квадратичного детектора.
При измерении очень малых шумовых сигналов используют корреляционный метод (рис. 2.2), суть которого состоит в следующем. Измеряемый шумовой сигнал подается на два параллельных усилителя, где он усиливается и фильтруется. Два усиленных сигнала V и V2 поступают затем на коррелятор, вырабатывающий напряжение пропорциональное VV2, которое в свою очередь подается на усреднитель, в результате чего олучается ууг. В процессе усреднения собственные шумы усилителей подавляются, так как они не коррелированы, в то время как шумовой игнал, подлежащий измерению сохраняется. Влияние шума усилителе проявляется лишь в небольших остаточных флуктуациях показаниях индикатора, обусловленных выпрямленным шумом. Расчет показывает, что если каждый усилитель имеет шумовое сопротивление Rn, ошибка одного отсчета соответствует погрешности AR=Rn/V4#r величины шумового сопротивления испытываемого прибора. В этом выражении В — полоса пропускания приемника (Гц), г - постоянная времени усредняющей цепи (с). Если принять Rn=100 Ом, В= 1000 Гц, г =2.5 с, тогда AR=1 Ом, таким образом данным методом можно измерить тепловой шум резистора сопротивлением в 1-2 Ом.
Следует сказать, что если используется только один усилитель, и шумовое сопротивление испытываемого прибора измеряется посредством последовательных переключений из режима холостого хода в режим короткого замыкания, тогда неточность, содержащаяся в одном отсчете, соответствует погрешности AR-Rn/V2Br. Применение двух усилителей дает следовательно выигрыш только в -Jl раз. Однако главное преимущество последнего способа в том, что коррелятор оказывается более стабильным в отношении дрейфа [72].
Известно, что измерением низкочастотного шума ПП достигается выпуск малошумящих изделий, а по величине шума делается анализ конструктивно-технологических дефектов изделий. С целью проведения различных исследований по влиянию внешних дестабилизирующих факторов на ПП была поставлена задача разработать и изготовить установку для измерения НЧ шума.
Разработанная установка позволяет проводить контроль НЧ шума типа І/f. Возможно проведение измерений шума непосредственно на пластине с полупроводниковыми изделиями (диодами, транзисторами, интегральными схемами) и разбраковка изделий по величине шума [73-75]. Были проанализированы различные методы и способы измерения шумов. Так в работе [76] непосредственно измерительная установка собрана на одной микросхеме типа 538УНЗ. С учетом работ [77-78] была разработана общая, модульная схема измерения НЧ шумов. Она представлена на рис. 2.3
Преимуществом установки, приведенной на рис. 2.3, является модульность и заменяемость различных модулей.
Вариант установки с АЦП и ЭВМ обладает тем преимуществом, что можно программно анализировать шумы полупроводниковых изделий, в том числе проводить Фурье-анализ, фрактальный анализ, вейвлет-анализ.[79].
Определение потенциально нестабильных полупроводниковых приборов по ампер-шумовым характеристикам
При снятии ампер-шумовых характеристик транзисторов наблюдался большой разброс значений , как на малых токах, так и на больших. На этом наблюдении предложено два способа разделения ПП на группы по надежности.
Первый способ достигается тем, что на выборке из партии ПП, которую необходимо разделить по надежности на две группы, измеряют шум-фактор типа І/f при малых значениях тока и по максимальному разбросу ампер-шумовых характеристик для измеренных приборов определяют значение тока, при котором разброс шум-фактора будет наибольшим, находят среднее значение шум- фактора на этом токе и по критериям:/щ и7ша, для первой группы и и2ш игшср для второй группы се транзисторы разделяют на менее надежные и надежные. На рис. 3.1 приведены примеры ампер-шумовых характеристик ПП для наихудшей характеристики (N9) и наилучшей характеристики (N4).
Так как шум типа І/f при малых значениях тока перехода эмиттер-база создается флуктуацией концентрации зарядов на поверхности, флуктуацией скорости поверхностной рекомбинации в области эмиттерного перехода и флуктуацией поверхностной утечки по периметру коллекторного перехода[91], то очевидно, применение ампер-шумовой характеристики дает более объективные результаты по разбраковке ПП по надежности, чем ВАХ. Критерий отбраковки потенциально-ненадежных ПП находят следующим образом: из партии ПП, подлежащих разбраковке, отбирают представительную выборку приборов и для каждого прибора из выборки измеряют значение шум-фактора (1 или 1ш ) при различных малых значениях тока, например 0.05, 0.1, 0.5, 1 мА, строят ампер-шумовые характеристики для максимального (как худшего) случая и минимального (наилучшего) случая. По ампер-шумовым зависимостям определяют значение тока, при котором расхождение между характеристиками для максимального и минимального случаев было бы наибольшим. Для этого значения тока находят среднее значение шум-фактора. Приборы, имеющие при данном токе значение шум-фактора больше найденного среднего значения, относятся к первой группе - менее надежных приборов. Приборы со значением шум-фактора менее среднего значения относят ко второй группе - более надежных приборов.
Предлагаемый способ разбраковки был опробован на транзисторах КТЗ102. Из партии транзисторов объемом более 500 штук методом случайной выборки отобрано 20 транзисторов, на которых измерено значение шум-фактора (иш2) при токах эмиттера равных 0.05, 0.1, 0.5, 1 мА. Наихудшее значение шум-фактора наблюдалось у транзистора N9, наилучшее у транзистора N4. Построены ампер-шумовые характеристики для транзисторов N9, N4 (рис.3.1). Видно, что при токе 0.5 мА, разность значений шум-фактора (Д) у транзисторов наибольшая:
Для этого значения тока (0.5 мА) подсчитано среднее значение шум-фактора по данным 20 транзисторов. Оно равно 12.7 мВ2. Тогда те транзисторы, у которых иш 12.7 мВ , относят к первой группе, т. е. менее надежных транзисторов. Транзисторы со значением Uui2 на токе 0.5 мА менее значения 12.7 мВ относят ко второй группе, т.е. более надежных транзисторов.
Для подтверждения данного положения транзисторы 1 и 2-ой группы были подвергнуты термотренировке в течение 100ч при температуре 120±5 С. До и после испытаний проверялись обратные токи эмиттера и коллектора. Хотя значения обратных токов у транзисторов обоих групп не вышли за нормы технических условий, обратные токи транзисторов 1-ой группы выросли в среднем в 3 раза по сравнению с начальными значениями, а у транзисторов 2-ой группы не более, чем в 1.1 раза.
Известно [92], что повышенный НЧ шум, т.е. шум типа 1/f» создаются как поверхностными (на малых токах до 1 мА), так и объемными дефектами структуры. Структурная неоднородность различных областей, дислокации и микротрещины приводят при протекании тока к локальной перенапряженности и перестройке отдельных участков структуры. Наличие дефектов в контактах также приводит к увеличению уровня НЧ шума.
Второй способ основан на том, что измерение НЧ шума проводится при двух значениях тока, которые еще не создают тепловую составляющую шума.
Известно, что с увеличением дефектности в структуре ПП уровень НЧ шума возрастает, а с ростом величины протекающего через прибор тока возрастает скорость его деградации, следовательно и уровень НЧ шума [93].
По значениям тангенса угла наклона зависимости интенсивности шума от величины тока для каждого ПП, судят о потенциальной надежности прибора, т. е.
Предложенный способ разбраковки был опробован на транзисторах КТЗ102Г. НЧ шум измерялся на частоте 1 кГц, полосе пропускания 160 Гц при значениях тока эмиттер- коллектор 5 и 10 мА. Данные значения токов выбраны потому, что зависимости ампер-шумовых характеристик, определенные при токах, равных 5, 10, 20, 30, 40 мА, показали, что наибольший разброс по НЧ шуму происходит при токах 5 и 10 мА. (рис. Экспериментально путем испытаний на надежность транзисторов КТ3102Г показано, что при значениях tg« 3 надежность транзисторов повышена, а при tgor 3 надежность транзисторов понижена. Поэтому по табл. 3.3 менее надежными будут транзисторы N 1, 2. В общем случае критерий оценки будет tga, tgaKp для транзисторов пор.ышенной надежности и tga tgaKp для транзисторе пониженной надежности. Значение tgaKp определяется экспериментально на статистически достоверной выборке приборов каждого типа. Зачастую о потенциальной ненадежности полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов) судят по относительной величине изменения информативного электрического параметра до и после какого-либо определенного внешнего дестабилизирующего воздействия (радиации, импульса тока или мощности, механических воздействий и т. п.) Например, по относительной величине изменения интенсивности шума до и после пропуска через полупроводниковый прибор импульса тока, в 1.5-5 раз превышающего по амплитуде предельно допустимое значение, определяют потенциальную нестабильность приборов, что характеризуется отношением [94]: По превышению результата второго измерения над первым, например, более чем в два раза, выявляют потенциально нестабильные, т.е. потенциально ненадежные приборы. К сожалению, в работе [94] нет примера с данными по практическим измерениям полупроводниковых приборов. Недостатком способа является подача импульса, в 1.5-5 раз превышающего по амплитуде предельно допустимое значения по техническим условиям на прибор, что может вызвать необратимые изменения в структуре прибора, которые в свою очередь могут привести к недостаточной достоверности результатов и к преждевременным отказам приборов в эксплуатации, например по дефекту "прокол базы". Эксперимент, проведенный на 15 транзисторах типа КТ3157А (кремниевые, эпитаксиально планарные, p-n-р типа, переключательные и импульсные транзисторы в пластмассовом корпусе), показал, что по относительной величине изменения интенсивности шума до и после воздействия ЭСР, величиной 1500 В различной полярности, по критерию (3.2) F 0.09 потенциально ненадежными будут транзисторы N 2, 4, 7, 9, 15 (табл. 3.4).
Исследование достоверности новых способов диагностики полупроводниковых приборов с использованием ЭСР на примере ранзисторов КТ502А
Транзисторы КТ502А являются маломощными низкочастотными р-п-р транзисторами, со следующими параметрами обратный ток перехода коллектор - база (Ікьо 1000 нА), статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером (Ь2ь 40-120). На 50 приборах были замерены НЧ шумы, затем воздействовали ЭСР, снова замерили шумы, провели отжиг при температуре 100 С в течение 4 ч (по методике изложенной в работах [10 -108]. Затем вычислили коэффициенты по формулам (3.5). Результаты приведены в табл. 4.5. Установив более жесткую нсрму ІКБО 20 нА отказавшими транзисторами будут N 2, 11, 12, 19, 39, 45, 47, 48 и N 24 ( т. к. обратный ток увеличился более, Из табл. 4.7 хорошо видно, что методы с использованием ЭСР (по критериям F4, К, М) превосходят другие методы диагностики по достоверности. Это подтверждает следующий вывод, что эти критерии связывают значение информативного параметра после воздействия температурного отжига, следовавшего за воздействием ЭСР, и его первоначальных значений. Так как по критериям М и К получена корреляция способов с использованием ЭСР и отжига более 0.9, можно использовать эти способы для внедрения в производство вместо проведения электротермотренировки. В данной главе проведен анализ методов диагностики по достоверности. Использована методика получения сравнительной характеристики новых диагностических методов. Методика основана на статистических методах обработки данных и может быть использована при анализе разрабатываемых методов диагностики. В ходе анализа сделаны следующие выводы: оказано, что достоверность методов с использованием ЭСР (по критериям К, М) составляет 0.91-0.94.
Отжиг электростатических дефектов ПП (как следствие уменьшение уровня НЧ шумов) возможен только в том случае, если по своей величине импульс ЭСР ниже значения опасного потенциала для данного типа изделий.
В настоящей диссертации изложена научно-техническая разработка, обеспечивающая решение важной прикладной задачи — замене длительных и дорогостоящих отбраковочных испытаний новыми диагностическими методами контроля качества и надежности ПП как при производстве, так и на входном контроле у изготовителей радиоэлектронной аппаратуры.
Изучение природы шумов в ПП и на этой основе разрабатывать способы прогнозирования их качества и надежности необходимо продолжать.
Но уже сейчас можно сделать выводы по известным способам прогнозирования по шумам, что в зависимости от способа и установленного критерия зависит достоверность прогнозирования по шумам потенциально ненадежных изделий, сочетание измерение шумов — внешнее воздействие — измерение шумов дает более достоверные результаты прогнозирования потенциально ненадежных приборов, чем просто измерение шумов.
В диссертации получены следующие научно — технические результаты: 1. Исследование зависимости НЧ шума транзисторов от типа перехода, от ампер - шумовой характеристики при малых и больших токах позволило разработать три новых диагностических способа. На способы поданы заявки на изобретения и уже получен один патент (N 2234163 от 7.04.2003) 2. Исследование зависимости НЧ шума транзисторов от воздействия электростатических разрядов и последующего отжига позволило разработать три новых диагностических способа. На способы поданы заявки на изобретения и уже получено два патента (N 22303335 OT21.10.2002 И N 2234104 от26. 02.2003) 3. Исследование зависимости НЧ шума полупроводниковых резисторов от воздействия ЭСР и последующего отжига позволило разработать способ разделения полупроводниковых приборов по надежности. На способ подана заявка на изобретение. 4. Разработана установка для автоматического снятия ампер — шумовых характеристик ПП. На принцип положенный в основу установки, подана заявка на изобретение. 5. Проведена оценка достоверности разработанных диагностических способов по сравнению с испытаниями на надежность. Получено, что предложенные способы оценки шумов приборов с использованием ЭСР и температурного отжига, имеют достоверность не хуже 0.91 - 0.94, т. е. эти способы можно рекомендовать для внедрения в производство транзисторов вместо электротермотренировки
