二次擊穿是指功率電晶體早期失效或突然損壞的重要原因，已成為影響功率電晶體安全可靠使用的重要因素。自從1957年Trornton和Simmons發現二次擊穿現象以來，二次擊穿一直受到十分關注。
基本介紹
- 中文名：二次擊穿
- 外文名：secondary breakdown
- 起源時間：1957年
- 發生機理：熱型和電流型兩種
- 影響因素：電阻、電流脈衝等
- 學科：電子信息工程
定義,機理,防止措施,
定義
當集電極反偏電壓逐漸升高到某一數值時，集電極電流急劇增加，電晶體出現擊穿現象。如圖1所
圖1
圖1示。這種現象稱為一次擊穿（見圖1中“2”曲線），一旦反向偏壓降低，器件就可復原，因而它是一種非破壞性的可逆反應。當集電極反偏電壓進一步增大，集電極電流增大到某一臨界值（圖中“2”曲線A點對應的臨界值）時，管子反向電壓突然降低，電流仍然繼續增長，表現出負阻現象，這個現象稱為二次擊穿。簡稱SB（Second Breakdown）。這時，工作點將由A點以毫秒級的速度移向低電壓大電流區的B點，在沒有保護措施的情況下，就會造成很大的過電流，使電晶體燒毀。因此，二次擊穿是一種熱電擊穿，它是破壞性的不可逆反應。這一點是與雪崩擊穿（一次擊穿）有本質差別的。
機理
很多研究者對二次擊穿進行了理論分析和實驗研究。但對其機理的了解仍不甚完全和充分。一般認為二次擊穿的機制分為熱型和電流型兩種，熱型又稱為熱不穩定型，電流型也稱為雪崩注入型，下面分別進行分析討論。
一、熱不穩定型理論
熱不穩定型理論認為，二次擊穿與“過熱點”有關，發射結電流集中，局部熱起伏是形成過熱點，產生熱斑的主要原因。由於發射極電流隨溫度增加而指數上升，因此，在發射結偏置電壓一定時，如果熱起伏使結局部溫度升高，由此引起電流增大，耗散功率增加，如果增加的熱量不能及時散發，必然進一步引起局部溫度升高，電流更加集中。這樣循環往復，就會在電晶體體內出現高溫區，形成熱斑，實驗發現，熱斑的直徑只有
cm，而電流密度卻高達
A/cm2。當熱斑的溫度升高到半導體本徵溫度時，呈現本徵導電，pn結耗盡區消失，大量熱‘激發載流子使集電結短路。電晶體進入低壓大電流的二次擊穿狀態。若無限流措施，大電流通過截面很小的局部熱斑，將產生大量熱量，而單位時間能散發出的熱量是有限的，由此，引起熱斑溫度急劇上升，直至達到半導體材料的熔點，使材料熔化，產生熔融孔，造成電晶體永久失效。因此，二次擊穿是局部溫升與電流集中往復循環的結果，而循環和溫升都需要一定的時間，因此觸發延遲時間較長。
二、雪崩注入二次擊穿
實驗發現，矽
外延平面電晶體中存在快速二次擊穿，由高壓狀態向低壓大電流狀態過渡十分迅速，延遲時間很短。這種二次擊穿是由
結處雪崩注入引起的，稱為雪崩注入二次擊穿。
基極開路時，流過電晶體的電流為穿透電流，集電結空間電荷區的寬度隨著外加電壓的增加而展寬，若外延層厚度較薄，在外加電壓增加到處延層穿通後，空間電荷區的電場將隨外加電壓的增加而很快上升。當最大電場達到雪崩臨界場強時，Ma→1，集電極電流急劇上升，電晶體一次雪崩擊穿。在pn結附近雪崩區內，由雪崩倍增產生大量的電子-空穴對，電子向集電極漂移，大量電子通過
側空間電荷區，使有效正向空間電荷減少，雪崩區寬度增加，載流子倍增，
進一步增大。當電流密度增加到
時，電流再增加，通過n區的電子濃度
，n區變為負空間電荷區，最大電場移至
結處，雪崩倍增區移至
結附近。倍增產生的電子直接由集電極收集，空穴通過n區空間電荷區漂移到基區。空穴在負空間電荷區的非雪崩區內將中和部分可動電子，使負空間電荷密度下降，電場分布變化，分布曲線包圍的面積減小，電晶體上承受的電壓下降，電晶體進入低壓大電流二次擊穿狀態。
防止措施
防止二次擊穿，改善器件可靠性的措施包括以下幾方面。
一、設計方面
在發射極和集電極條上串接鎮流電阻，提高功率管二次擊穿耐量。對微波功率管也可利用鍵合引線的電感和氧化物電容組成的網路，選擇適當的匹配參數實現功率的自動調整。
二、工藝方面
發生二次擊穿的部位常是存在工藝缺陷的地方，如管芯與底座間燒結層的空洞，發射極鍵合點壓偏使鎮流電阻短路，矽鋁合金常使基區厚度不均勻等。這些缺陷使電流集中，熱阻增大。局部發熱過甚，導致PN結燒毀，所以要有針對性地加強工藝控制，確保工藝質量。
三、使用方面
使用時根據手冊使其工作在安全工作區內，在此區域內不會引起二次擊穿或特性的緩慢退化。
