引 言

隨著半導體器件的廣泛使用，其壽命指標受到業(yè)界普遍關(guān)注。半導體器件壽命的延續(xù)是一種性能退化過程，最終導致失效[1]。造成這種退化的原因很多，如人為使用不當、浪涌和靜電擊穿等，但通過一定的預防措施和增加必要的附加電路可以有效延長半導體器件的壽命。

1 半導體器件的退化和失效

大量試驗表明，半導體器件的失效隨時間的統(tǒng)計分布規(guī)律呈浴盆狀，如圖 1所示。失效期包括早期的快速退化失效、中期的偶然失效與后期的快速損耗失效。早期快速失效一般是由半導體材料本身原因造成 ；中期偶然失效期的時域較寬， 在此期間導致半導體器件失效的原因具有一定的偶然性；后期失效概率較高，主要由各種損耗積累與綜合爆發(fā)引起[2]。由此可知，只要通過初期的嚴格篩選，同時加強質(zhì)量管理和改進生產(chǎn)工藝，防止偶然失效，半導體器件就能獲得較長的壽命 [3]。

2 半導體器件壽命影響因素及預防措施

PN 結(jié)是半導體器件的核心，對電壓沖擊的承受能力很差， 一旦被擊穿，便無法產(chǎn)生非平衡載流子。在使用過程中，半導體器件的損壞多半是由浪涌或靜電擊穿造成的。

浪涌是一種突發(fā)性的瞬間電信號脈沖，具有很強的隨機性，一般表現(xiàn)為尖脈沖，脈寬很窄，但峰值較高，容易使半導體器件瞬時過壓造成 PN 結(jié)擊穿，即使不致于一次性使半導體器件產(chǎn)生完全失效，但在多次浪涌的沖擊下也會加速它的性能退化和最終失效[4]。在電路的使用過程中，出現(xiàn)比較多的浪涌是開啟或關(guān)斷電源時抑或器件接觸不良時產(chǎn)生的電壓 / 電流沖擊，以及由于電網(wǎng)波動或其它大功率電器啟動而產(chǎn)生的電壓 / 電流沖擊。另外，靜電也是造成 PN 結(jié)損壞或擊穿的重要原因。表 1 給出了產(chǎn)生浪涌和靜電的幾種常見原因及其特征和預防措施。

軟啟動電路在電源電路中已得到了廣泛應用，該過程可 以由計算機控制實現(xiàn)，且可靠性高，穩(wěn)定性好，但是價格比較 昂貴。實際上，對于一些簡單的、普通的半導體器件電源電路， 只需對電源電路稍加改進，便可實現(xiàn)軟啟動，圖 3 給出了一個 利用 RC 充電原理實現(xiàn)軟啟動的電源電路，電路中的 R1、C7、 C8、Q1、Q2 為電壓緩慢上升電路，電路兩邊增加了兩個π型 濾波器電路，防止電流突變。該軟啟動電路可以使得半導體 器件兩端的電壓逐漸加上，不會產(chǎn)生浪涌信號對半導體器件 帶來破壞。

4 數(shù)字電路中浪涌消除電路 

在 很 多 情 況下，半導體器 件的管腳不是通 過焊接而是直接 插入管座中，然 而管腳和插座接 觸不良或者機械 振 動 都 會 造 成 時通時斷而產(chǎn)生 連續(xù)多個電壓浪 涌。另外，某些 功能控制開關(guān)和功率調(diào)節(jié)開關(guān)接觸不良或動作瞬間也會產(chǎn)生連續(xù)多個電壓浪 涌。在數(shù)字電路中，這些電壓浪涌幅值較低（波形表示為短脈 寬的高 / 低電平 "1" 和 "0"），這些浪涌邊沿很陡，呈高低電平 交替狀態(tài)，若未經(jīng)處理直接將它加在半導體器件兩端會影響 其壽命，同時也會給系統(tǒng)帶來干擾。

圖 4 給出了一款應用于數(shù)字電路中具有消除連續(xù)多個電 壓浪涌功能的電路。電路中的 CLNR 是觸發(fā)器清零信號，K1_ in 和 K2_in 表示兩組帶有浪涌的輸入信號，K1_out 和 K2_ out 表示所對應的經(jīng)過消浪涌后的輸出信號。電路采用了分頻 采樣、移位寄存和計算判斷方法，采用 4 個 D 觸發(fā)器連續(xù)對 輸入信號 K1_in 進行移位采樣，并隨時鐘信號的觸發(fā)寄存于 數(shù)組 K1[4..1] 中。若數(shù)組中相鄰兩個數(shù)據(jù)都為高電平就默認為 高電平 "1"，其它情況則表示低電平 "0"。用邏輯最簡公式表示為 ：K1_out=K11K12+K13K14+（!K11）K12K13（!K14）。由于 半導體管腳和插座接觸不良或機械振動等現(xiàn)象引起的連續(xù)電 壓浪涌掃描周期一般不超過 10 ms，因此電路中采用了頻率為 200 Hz、周期為 5 ms 的 clk_200 時鐘信號進行數(shù)據(jù)移位寄存。 圖 5 給出了該電路在 Quartus II 環(huán)境下的仿真波形。

從仿真結(jié)果可以看出，當輸入信號 K1_in 在低電平輸入 過程中連續(xù)出現(xiàn)多個脈寬小于或等于 10 ms 的高電平浪涌時， 輸出信號 K1_out 仍為低電平 ；當輸入信號 K2_in 在高電平輸 入過程中連續(xù)出現(xiàn)多個脈度小于或等于10 ms的低電平浪涌時， 輸出信號 K2_out 仍為高電平。由此可知，該電路能很好地消 除連續(xù)出現(xiàn)的浪涌，作為半導體器件浪涌消除電路可有效延 長半導體器件壽命指標，并具有良好的抗浪涌信號干擾的能 力。另外，從信號延時來看，該電路的輸入信號僅有 5 ms 的 時序延時，與同類的浪涌消除或抖動信號消除電路相比較，該 延時較小。 

5 結(jié) 語

隨著半導體器件生產(chǎn)工藝日趨成熟，其應用范圍已覆蓋 了國防、工業(yè)、科研和民用等領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用 [7，8]， 因此，有必要針對它的壽命特性和延壽方法開展進一步的研 究。文中分析了影響半導體器件壽命的主要原因，討論了浪涌 和靜電的特點及其預防措施，分別給出了應用于模擬電路和數(shù) 字電路中的電源軟啟動電路和連續(xù)浪涌消除電路，電路結(jié)構(gòu) 簡單，性能良好，值得推廣。