宇宙射线作用于功率半导体器件  文件大小：112 授权方式：免费版 软件类别：资料 软件语言：简体中文 运行环境：windows 所需点数：家家  E-mail 相关链接：开发商主页  程序演示 更新时间：2009-6-15 10:38:00 解压密码： 推荐等级： 下载次数：

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宇宙射线作用于功率半导体器件
最近几年来，功率半导体器件如二极管、晶闸管、IGBT 可能在没有任何器件
老化或过载状态下突然失效。通常这种现象解释为宇宙射线引起半导体内部局部击
穿，最终导致整个器件损坏。这些失效主要是由宇宙射线中能量超过10MeV 的中
子引发的。研究元器件设计需要系统地、充分地测试，测试周期很长且费用昂贵。
为了加快测试速度，通常在宇宙射线密集的地方(例如在Jungfraujoch)或有粒子光
束的地方进行测试。在Jungfraujoch 进行测试的目的是：一、检查可用器件对宇宙
射线的承受能力；二、将这些测试结果与在高度密集的质子束或中子束中的测试结
果作比较；三、为将来开发元器件建立起适当的设计规范。
测试装置位于Sphinx天文台木屋顶下面、面积为0.7平方米的平台上。用60片
IGBT做实验，给每个IGBT加上一定的直流电压，用电脑记录直流电压、漏电流对
时间的函数关系。用32mA的保险丝进行保护，当失效器件的漏电流超出了保险丝
的额定值时，保险丝就会熔断，断开器件上所加的电压，从而避免器件过度损坏。
测试所需时间从几个小时至几个月不等。
宇宙射线引起器件失效需符合两个条件：首先漏电流始终不变直到发生故障，
其次是有一些典型的缺陷，比如在硅芯片上的某处有个小点。所有失效率是以宇宙
射线在纽约市（海平面）的中子流量为标准。所使用的比例因数13 是Jungfraujoch
和纽约市中子流量的比率。
将半导体器件置于质子束和中子束中，进行类似的测试。中子束的能量光谱与
能量以及固定的中子流量成反比（跟宇宙射线中的中子成分一样）。单能质子束的
能量和流量可变，相应比例因数基于中子或质子与硅材料的横截面的相似性而定。
在粒子束中测试的时间约为半个小时。不同的测试地点失效率FR 的范围不同：在
Jungfraujoch (3580 m)失效率的范围是[10
2
, 10
5
FIT/cm
2
]，在Lenzburg (400 m) 的
范围是[10
3
, 10
6
FIT/cm
2
]，在中子束中的范围是[10
0
, 10
4
FIT/cm
2
]，在质子束中的范
围是[10
-3
, 10
4
FIT/cm
2
]。一个FIT 相当于每10
9
器件x 小时数内发生一次失败。例
如，图1 对二极管模块在宇宙射线中的失效率与在质子束中测试的失效率进行了比
较，并且给出了计算的模型（见图1）。
失效率与中子和质子流量成比例，这一事实表明所观测到的失效主要是由宇宙
射线的中子成分引起的。请注意失效是由一个粒子触发的。模型没有预测，当所加
电压低于多少后，失效率会大幅度降低。
2000年12月该测试装置进行了升级，添加了第二个独立的高压电源。现在可同
时测量两个不同电压等级的器件，大大缩短了整体的测试时间。
图1：由宇宙线和质子引起的二极管模块失效率。当测试电压小于3200V时，失
效率大大低于预测的失效率。在中子和质子束中进行测试，几乎所有类型的器件都
显示出这一特性。设计的目标是，在正常使用的电压范围内（该器件电压< 3000V），
失效率要小于1 FIT/ cm
2
，即在每1cm
2
硅面积上、10
9
器件x小时数内发生的失效应
该少于1次。