T V S器件中工藝參數(shù)對電性能的影響

南通明芯微電子有限公司 張興杰

T V S器件中工藝參數(shù)對電性能的影響

南通明芯微電子有限公司 張興杰

瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）為一種硅PN結(jié)高效能的保護器件，可解決電路板面緊張問題，并在反向瞬態(tài)高能的沖擊下，能夠?qū)擞抗β首羁祉憫?yīng)速度吸收，可對線路內(nèi)精密元器件形成良好保護。本文研究顯示擴散溫度、擴散時間、電阻率及鈍化保護等工藝參數(shù)會影響TVS二極管電性能。擴散溫度及擴散時間增加會增加擴散結(jié)深；而電阻率升高，TVS擊穿電壓增大，鈍化保護可可減小TVS器件內(nèi)反向漏電流。

TVS器件；工藝參數(shù)；電性能；影響

隨電子科技及信息技術(shù)不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件在功能不斷強化的同時，體積日趨減小，便捷式消費電子產(chǎn)品大量出現(xiàn)，在人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮了重要作用。這些便攜式電子產(chǎn)品對主板面積還有器件響應(yīng)性能有較高要求，響應(yīng)器不僅要滿足高速下的數(shù)據(jù)傳輸，同時還要擁有足夠的抗電壓、電流瞬態(tài)干擾能力。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）為一種硅PN結(jié)高效能的保護器件，器件不僅解決了電路板面的緊張狀況，在反向瞬態(tài)高能的沖擊下，能夠?qū)擞抗β首羁祉憫?yīng)速度吸收，可對線路內(nèi)精密元器件形成良好保護。

1.TVS器件結(jié)構(gòu)

TVS是由美國學(xué)者Richard Von Barandy所發(fā)明的，是由硅在擴散工藝下所形成的一個PN結(jié)半導(dǎo)體二極管器件。雙向 TVS是由兩只單向TVS 通過反向串接而成的，使用過程中對電壓正端、負端無需考慮。使用過程中，當TVS兩端遭受到瞬態(tài)反向高能量的沖擊時，TVS可以在10-12s 量級時間內(nèi)將數(shù)KW浪涌功率吸收，將器件兩極間高阻抗轉(zhuǎn)變成低阻抗，將器件兩極之間電壓箝位到一個預(yù)定值，讓電子線路內(nèi)安裝的精密元器件免收靜電及各種浪涌脈沖損壞，對其進行有效保護。

2.TVS測試

TVS二極管制備之后，通過FEC200測試儀（Frothingham Electronics Corporation 生產(chǎn)）對TVS二極管樣品進行電參數(shù)測試。測試標準參照TVS產(chǎn)品標準來進行，測試中的相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)為：擊穿電壓測試電流取值為1mA，反向漏電流測試電壓取值為TVS二極管額定關(guān)斷電壓，也就是擊穿電壓值的85%，通過測試，對TVS二極管內(nèi)不同工藝參數(shù)對于電性能的影響進行討論。

3.結(jié)果及討論

3.1 擴散時間對TVS二極管擊穿電壓的影響

分別選定電阻率為0.1010-0.1117、0.1512-0.1672、0.2045-0.2261Ωicm這三個級別范圍的N型硅片，對硅片表面雜質(zhì)進行清洗，經(jīng)過預(yù)淀積、再分布后，在1250℃溫度下將三組硅片分別推進10、20、30、40、50h，完成雜質(zhì)擴散，對三組硅片結(jié)深進行分析，得到圖3.1所示的擴散時間同結(jié)深間的關(guān)系。

圖3.1 擴散時間同結(jié)深間的關(guān)系

從圖3.1可看出不同電阻率硅片隨擴散時間增加，結(jié)深也是不斷增加的，但是增加的趨勢隨時間增加逐漸變緩；相同擴散時間下，原始硅片電阻率越高，結(jié)深越大。

3.2 擴散溫度對TVS二極管擊穿電壓的影響

分別選定電阻率為0.1010-0.1117、0.1512-0.1672、0.2045-0.2261Ωicm這三個級別范圍的N型硅片，對硅片表面雜質(zhì)進行清洗，經(jīng)過預(yù)淀積、再分布后，在 1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1270℃溫度下將三組硅片推進15h，完成雜質(zhì)擴散，對三組硅片結(jié)深進行分析，得到圖3.2所示的擴散溫度同結(jié)深間的關(guān)系。

圖3.2 擴散溫度同結(jié)深間的關(guān)系

從圖3.2可看出不同電阻率硅片隨擴散溫度增加，結(jié)深也是不斷增加的。分析原因主要是因為溫度增加后，TVS二極管內(nèi)雜質(zhì)擴散系數(shù)也是相應(yīng)增加的，使得TVS二極管在擴散時間相同情況下，溫度越高，擴散也就越深。

對擴散時間同擴散溫度對TVS二極管結(jié)深影響關(guān)系中可以看出，擴散溫度在雜質(zhì)擴散中影響作用更大，因此在TVS二極管制備過程中，要對擴散溫度進行精準控制，因為TVS二極管在高溫擴散狀態(tài)下，1℃的溫度偏差會對應(yīng)5%-10%的擴散系數(shù)上的差別，這對要精準控制TVS二極管器件結(jié)深是非常不利的。

3.3 電阻率對TVS二極管擊穿電壓的影響

將上述三組不同電阻率的N型硅片進行摻雜處理，并在硅片內(nèi)預(yù)淀積足量硼，并在氮氣氧氣氣氛下，1200℃溫度下，將三組硅片推進擴散，完成雜質(zhì)擴散，對電阻率對TVS二極管擊穿電壓的影響進行分析：

相同的擴散條件之下，電阻率TVS二極管擊穿電壓間呈正比例關(guān)系，電阻率越高，TVS二極管襯底中的雜質(zhì)濃度越低，而TVS二極管擊穿電壓越大。分析原因主要是因為雪崩擊穿是勢壘區(qū)中的載流子對電離進行碰撞的結(jié)果，雪崩擊穿主要是載流子對電離的碰撞能力所決定的，而電場作用之下，載流子在單位距離下因偏移產(chǎn)生的電子－空穴的對數(shù)越多，雪崩擊穿效應(yīng)也就越強，TVS二極管器件越容易被擊穿。對TVS二極管來說，硅片的電阻率越低，硅片內(nèi)雜質(zhì)的摻雜濃度就越高，相同條件之下載離子所產(chǎn)生的電子－空穴的對數(shù)也就越多，因此越容易出現(xiàn)雪崩擊穿，也就是說擊穿的電壓也就越低。

從上述可看出，硅片雪崩擊穿電壓是由結(jié)深、襯底雜質(zhì)濃度還有擴散層表面雜質(zhì)濃度這幾個參數(shù)共同決定的，這三個參數(shù)確定了，那么TVS二極管擴散結(jié)的擊穿電壓也就確定了。

4.結(jié)論

擴散參數(shù)對TVS二極管電性能影響極大。擴散時間不同、擴散溫度不同，TVS二極管擊穿電壓也不同。因此TVS二極管制備中需選擇對適合電阻率硅片，對硅片擴散參數(shù)進行選擇，這樣TVS二極管器件電性能才會更有保障。