Mecanismos de fallas en semiconductores“Catastrophic failure”

The first group of phenomena is related to a qualitative redistribution of the energy state in the transistor structure. A typical result of such energy redistribution is a significant change of the internal thermoelectrical field that may lead to a total and local overheating in the structure, increase of the electric field up to the avalanche breakdown level, redistribution of the current density, hot spot and current filament formation. Due to the relatively small size of microelectronic transistor structures, the energy redistribution processes can be realized in a very fast time domain within the 10e–10 to 10e–3 second range.

Another major feature of this group of phenomena is the presence of a critical device state that represents certain critical threshold conditions of the operation regime. Operation above this critical regime inevitability results in significant energy redistribution inside the semiconductor structure. This redistribution often results in device burnout or local accelerated degradation of the structure parameters. These effects are responsible for limitation of the absolute maximum rating of the particular device parameters and physical limitation of the safe operating area.

The change in energy state of the structure itself is reversible in general. It may not result in failure. The consequent direct failure cause is the increase of temperature and electric field levels above the material limits that cause the physical change of the device structure. The direct consequences are, for example, metallization melting, cracks and damage of the dielectric isolation and structure of semiconductor material.

In the majority of cases, catastrophic failure is complete and irreversible. It results in a partial or complete loss of the device capability that cannot be restored.

“Degradation”

This corresponds to a large set of diverse phenomena that involve a gradual change in the mechanical or trapped charge state of the transistor structure.

The following phenomena are further understood as a change in the mechanical state: a migration or diffusion of atoms and ions, chemical reactions, occurrence and disappearance of diverse charge centers, generation of crystal defects, i.e., the processes that result in a change in the initial mutual arrangement of atoms and molecules or charge state inside the semiconductor device structure, surface and interface regions after removing the electrical regime.

Degradation failures are usually parametric and preserve the basic functionality of the device while bringing some of them above the specified minimum and maximum range including significant deviation. Thus, in this sense, degradation failures are conditional and parametric. They depend on the specified requirements, limits, and figures of merit for the device operation.

Degradation failure can be both reversible and irreversible. Depending on its nature, a complete or partial recovery can be achieved for example in the case of anneals or the device with deep trap centers captured the charge during the reliability test.

Base física para los regímenes de transistoresTodos los dispositivos semiconductores sufren cambios irreversibles si su temperatura aumenta más allá de cierto límite crítico. Por consiguiente, se asignan a los transistores de potencia varios regímenes para asegurar que su límite critico de temperatura no sea excedido ni siquiera en una parte muy pequeña del cristal de silicio. Los regímenes para los transistores de potencia normalmente especifican las tensiones y corrientes máximas, las temperaturas de funcionamiento y almacenamiento máximas y mínimas y la disipación de potencia máxima que el transistor puede soportar sin riesgos.

REGIMENES DE TENSION

Los regímenes máximos de tensión se dan normalmente tanto para la juntura de colector

como para la de emisor de un transistor. Generalmente se especifica un régimen de VBEO , que

indica la máxima tensión base-emisor con el colector abierto. La capacidad de tensión de la juntura de colector comúnmente se da con respecto al emisor, el cual se usa como terminal común en la mayoría de los circuitos transistorizados. Esta capacidad puede expresarse de

varias maneras. Un régimen de VCEO especifica la máxima tensión colector-emisor con la base

abierta; un régimen de VCER para esta tensión implica que la base esta retomada al emisor a

través de un determinado resistor; un régimen de VCES da la tensión máxima cuando la base

esta cortocircuitada al emisor y un régimen de VCEV indica la tensión máxima cuando la base

esta polarizada en sentido inverso con respecto al emisor por una determinada tensión.

También se puede dar un régimen de VCEX para indicar la máxima tensión colector-emisor

cuando se conecta un resistor y tensión entre base y emisor.

Si se excede un régimen de tensión máximo, el transistor puede "romperse" y pasará corriente en sentido inverso. La ruptura a través de la juntura no es uniforme por lo general y la corriente puede localizarse en una o más regiones pequeñas. Estas regiones pequeñas se recalientan, a menos que la corriente se limite a un valor reducido, y el transistor puede destruirse.

La tensión de ruptura (de avalancha) colector-base o emisor-base es una función de la resistividad o concentración de impurezas en la juntura del transistor y de las características del circuito en el cual se utiliza el transistor. Cuando se produce una ruptura en la juntura, aparece un súbito aumento de corriente (una “avalancha"). Los mecanismos básicos de ruptura por tensión en los transistores y su relación con los circuitos externos son la base para los diferentes tipos de regímenes de tensión usados por los fabricantes de transistores.

Tensión de perforación del colector

La tensión de colector puede limitarse a un valor que esté por debajo del valor de ruptura por avalancha si la capa de deserción (región de carga espacial) asociada a la tensión de colector aplicada se expande a través del ancho de base reducido y se pone en contacto con la juntura de emisor. La contaminación en la base (debajo del emisor) y el ancho de base en relación con la magnitud de la tensión aplicada determinan si la perforación se produce antes de la avalancha. Mayores concentraciones de contaminación y bases más anchas aumentan la

tensión de perforación VPT de acuerdo con la siguiente relación:

Donde q es la carga electrónica, N la concentración de impurezas en la base, W el ancho de la base, k la constante dieléctrica y Eo la permisividad del espacio libre (kEo es aproximadamente

1x10 -12 farad por centímetro para el silicio).

0

2

2kEqNWVPT =

Ruptura por avalancha con emisor común

La multiplicación M que se produce para una determinada tensión colector-base (VCB), está

dada por la siguiente fórmula empírica para los transistores de juntura:

Donde VA es la avalancha verdadera o ruptura bruta y n el factor de avalancha o de multiplicación.

En los circuitos con emisor común, la ruptura por avalancha se produce en la tensión colector-base a la cual la relación de transferencia de corriente con emisor común (β) se hace infinita.

β puede expresarse en términos del factor de ganancia total con base común αM en la siguiente forma:

Donde M es el factor de multiplicación y α la relación de corriente de colector a corriente de emisor. β se hace infinito cuando αM es igual a la unidad .

La multiplicación en avalancha aumenta el número de portadores suministrados al lado colector de la juntura desde la capa de deserción. Luego, la base debe suministrar un número similar de nuevos portadores a la capa de deserción para mantener la neutralidad de cargas en la capa. A la tensión de colector para la cual el número de portadores que la base suministra a la capa de deserción por multiplicación iguala apenas al número de portadores ganados por la base mediante recombinación má un número efectivo de portadores de tipo opuesto inyectados por la base, la relación de transferencia de corriente se hace infinita porque no se requiere corriente de base para mantener la circulación de corriente de colector.

La Fig. 118 da las curvas características de colector para un transistor que funciona en tales condiciones. Aunque la abscisa para estas curvas es la tensión colector-emisor en lugar de la tensión colector-base usada anteriormente, no existe diferencia apreciable entre los dos conjuntos de curvas, excepto con tensiones de colector bajas donde la multiplicación es despreciable en cualquier caso.

n

A

CB

VVM)(1

1

−=

MMα

αβ−

=1

REGIMENES DE CORRIENTE Y TEMPERATURA

Los mecanismos físicos relacionados con la acción básica del transistor son sensibles a la temperatura. Si la polarización no se compensa con función de la temperatura, el transistor puede desarrollar una condición regenerativa, conocida como embalamiento térmico, en la cual la concentración de portadores generados térmicamente se aproxima a la concentración de portadores de impureza. Datos experimentales correspondientes al silicio muestran que, a temperaturas de hasta 700°K, la concentración de portadores generados térmicamente, ni, se determinan con la siguiente forma:

ni =3,87 x 1016 x T x (3/2) exp (-1,21/2kT).

Cuando esta condición se hace extrema, cesa le acción del transistor, la tensión colector-emisor V CE cae a un valor bajo, mientras que la corriente aumenta y es limitada solamente por el circuito externo.

Si no hay limitación de corriente, su aumento puede fundir el silicio y producir un cortocircuito entre colector y emisor. Esta condición puede ocurrir como resultado del efecto de la temperatura promedio en una región grande o en una región pequeña que produce puntos calientes o embalamiento térmico localizado. En cualquiera de los casos, si la temperatura intrínseca de un semiconductor se define como la temperatura a la cual la concentración de portadores generados térmicamente es igual a la concentración de impurezas contaminantes, puede establecerse la temperatura máxima absoluta para la acción del transistor.

La temperatura intrínseca de un semiconductor es una función de la concentración de impurezas y la temperatura intrínseca limitadora para un transistor está determinada por la región menos contaminada. Debe recalcarse, no obstante, que la temperatura intrínseca actúa solo como límite superior para la acción del transistor. La temperatura de juntura de funcionamiento máxima y el régimen máximo de corriente son establecidos mediante factores adicionales tales como el rendimiento de la evacuación de calor, las temperaturas de fluencia y fusión de la soldadura utilizada en la fabricación y la temperatura a la cual se producen cambios permanentes en las propiedades de la juntura.

El máximo régimen de corriente de un transistor indica la máxima corriente a la cual, a juicio del fabricante, el dispositivo puede funcionar. Este límite de corriente puede establecerse

fijando una ganancia de corriente mínima arbitraria o puede determinarse mediante la corriente que funde un alambre de conexión interno.

Por lo tanto, una corriente que supera el régimen puede originar una baja ganancia de corriente o Ia destrucción del transistor.

Los materiales básicos de un transistor de silicio permiten su funcionamiento a temperaturas superiores a los 300°C. Sin embargo, los transistores prácticos estén limitados a temperaturas inferiores a causa de los sistemas de montaje y de la contaminación de la superficie. Si se exceden las temperaturas máximas nominales de almacenamiento o de funcionamiento, se producen cambios irreversibles en las características de corriente de fuga y ganancia de corriente del transistor.

REGIMENES DE DISIPACION DE POTENCIA

Un transistor se calienta por la potencia eléctrica que disipa. Por lo tanto, se da un régimen máximo de potencia para asegurar que la temperatura en todas las partes del transistor se mantenga por debajo de un valor que producirá cambios perjudiciales en el dispositivo. Este régimen puede darse con respecto a la temperatura de la carcaza (en los transistores montados sobre disipadores térmicos) o con respecto a la temperatura "ambiente al aire libre". La temperatura de la carcaza se mide con una pequeña termocupla u otro termómetro poco conductor del calor colocado en la parte exterior de la carcaza o preferentemente insertado en un pequeño orificio ciego situado en la base, de manera que en esta forma la medición se realiza lo más cerca posible del cristal del transistor. Los pulsos de potencia muy breves no calientan el transistor hasta la temperatura que se alcanzaría si ese nivel de potencia continuara indomadamente. Los regímenes de potencia máxima tienen en cuenta este factor y admiten la disipación de potencias mayores para pulsos muy breves.

La disipación de un transistor no está uniformemente distribuida a través de la oblea del semiconductor. Con tensiones mayores, las concentraciones de corriente se hacen más severas y pueden desarrollarse puntos calientes dentro de la pastilla del transistor. Como consecuencia de ello, la potencia que puede admitir un transistor se reduce con tensiones elevadas. El régimen de potencia de un transistor puede indicarse más fácilmente mediante una curva limitadora que muestra una región de funcionamiento seguro con potencia de pico. Esta curva muestra la capacidad para admitir potencia en función de la tensión para diferentes lapsos.

Funcionamiento en estado constante.

La máxima capacidad de disipación de un transistor en condiciones de estado constante depende de la suma de las resistencias térmicas en serie desde la juntura del transistor al aire ambiente, de la máxima temperatura de juntura Tj(max) y de la temperatura ambiente Tamb a la cual funciona el transistor. La suma de las resistencias térmicas en serie puede determinarse mediante la siguiente relación:

Θj-a = Θj-c + Θc-d + Θd-a [ºC/W]

j- a: juntura – ambiente

j-c: juntura – carcasa

c-d: carcasa – disipador

d-a: disipador - ambiente

La disipación máxima de potencia del dispositivo está limitada por la relación:

Pmax=(Tj(max) – Tamb)/ Θj-a

Por lo que la potencia máxima que puede disipar en transistor en régimen constante disminuye a medida que aumenta la temperatura ambiente.

Si la temperatura que se toma como referencia es la de carcasa, la fórmula resulta:

Pmax=(Tj(max) – Tcarcasa/ Θj-c

En la curva se muestra para un transistor 2N3055, la curva de “disminución” de la potencia disipada en función de la temperatura de carcasa.

Funcionamiento con un solo pulso

Cuando un transistor es operado en respuesta a un solo pulso de potencia breve y no repetitivo, la disipación de potencia máxima permitida durante este periodo transitorio es considerablemente mayor que la capacidad de disipación en estado constante del transistor. El valor depende de la resistencia térmica y de la capacidad térmica del dispositivo.

Funcionamiento con pulsos repetitivos

Cuando un transistor funciona en el modo de pulsos repetitivos, el análisis previo debe modificarse para tener en cuenta la elevación de la temperatura de carcaza provocada por la disipación de potencia promedio.

SEGUNDA RUPTURA

La segunda ruptura (second breakdown S/b) es un fenómeno potencialmente destructivo que se produce en todos los transistores bipolares. Este fenómeno aparece cuando la energía absorbida por un transistor excede un nivel crítico, produciendo puntos calientes localizados dentro de la pastilla del transistor. El comienzo de la segunda ruptura se caracteriza por una disminución abrupta en la tensión colector-emisor con una pequeña resistencia dinámica en la región de segunda ruptura, como se muestra en la Fig. 128.

Aunque la segunda ruptura puede aparecer con diferentes modos de funcionamiento del transistor, el fenómeno puede clasificarse en general en dos clases principales: (1) segunda ruptura entre emisor y base con polarización directa, que ocurre cuando el transistor funciona en la región activa, y (2) segunda ruptura entre emisor y base con polarización inversa, que ocurre durante el corte en el funcionamiento del transistor.

Área de operación segura (SOA Safe operating area)

Está limitada por corriente máxima, disipación de potencia máxima (en régimen continuo y régimen pulsado), tensión de ruptura.

En el gráfico siguiente se muestra la curva para un transistor 2N3055.

En el caso de dispositivos que tienen carga inductiva y capacitiva debe verificarse que las posibles trayectorias de operación en la conmutación, pasando del estado de conducción al de no conducción, con la carga reactiva no sobresalgan del área de operación segura

Regímenes máximos absolutos (Absolute maximun ratings)

Son los valores que establece el fabricante y que superándolos el dispositivo seguramente fallará. Estos valores por lo tanto no deben ser superados bajo ninguna circunstancia y tampoco pueden ser medidos si destruir el dispositivo.

Como ejemplo en la tabla siguiente se expresan los valores máximos para un transistor 2N3055.

Bibliografía:

Motorola, SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA 2N3055 NPN transistor

Phisical limitations of semiconductor devices, V.A. Vashchenko • V.F. Sinkevitch

Dispositivos de potencia de estado sólido SP52 RCA Semiconductors