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作者：安森美

随着技术的飞速发展，商业、工业及汽车等领域对耐高温集成电路（IC）的需求持续攀升‌。高温环境会严重制约集成电路的性能、可靠性和安全性，亟需通过创新技术手段攻克相关技术难题‌。本文致力于探讨高温对集成电路的影响，介绍高结温带来的挑战，并提供适用于高功率的设计技术以应对这些挑战。

高结温带来的挑战

半导体器件在较高温度下工作会降低电路性能，缩短使用寿命。对于硅基半导体而言，晶体管参数会随着温度的升高而下降，由于本征载流子密度的影响，最高极限会低于 300℃。依靠选择性掺杂的器件可能会失效或性能不佳。

影响 IC 在高温下工作的主要技术挑战包括：

• 泄漏电流增加

• MOS 晶体管阈值电压降低

• 载流子迁移率降低

• 提高闩锁效应（Latch-Up）敏感性

• 加速损耗机制

• 对封装和接合可靠性的挑战

要设计出能够在高温下工作的 IC，了解高温下面临的挑战至关重要。下文将探讨 IC 设计面临的挑战。

1.泄漏电流增加

CMOS 电路中泄漏电流的增加主要是由半导体 PN 结泄漏和亚阈值沟道泄漏的增加引起的。

▷反向偏置 PN 结泄漏

在较高温度下，半导体中热能的增加会导致更多电子 - 空穴对的产生，从而产生更高的泄露电流。结泄漏取决于掺杂水平，通常随温度呈指数增长。根据广泛使用的经验法则，温度每升高 10℃，结电流大约增加一倍。

二极管的泄漏电流由漂移电流和扩散电流组成：

其中， q 为电子的基本电荷， A_j 为结面积，n_i 为本征载流子浓度，W 为耗尽区宽度，τ 为有效少数载流子寿命，L 为扩散长度，N 为中性区掺杂密度。

在中等温度下，泄漏电流主要由耗尽区中电子 - 空穴对产生的热引起。在高温下，泄漏电流主要由中性区产生的少数载流子引起。漂移电流与耗尽区宽度成正比，这意味着它与结电压的平方根成正比（在正常反向电压下），而扩散电流与结电压无关，并且与掺杂密度 N 成反比。掺杂水平越高，在温度高于约 150°C 时扩散泄漏越少。

泄漏电流的指数增加影响了大多数主动器件（如双极晶体管、MOS 晶体管、二极管）和一些被动器件（如扩散电容、电阻）。然而，由氧化物隔离的器件，例如多晶硅电阻、多晶硅二极管、ploy-poly 电容和 metal-metal 电容，并不受结泄漏的影响。结泄漏被认为是高温 bulk CMOS 电路中最严峻的挑战。

▷亚阈值沟道泄漏

MOS 晶体管关闭时，栅极 - 源极电压 VGS 通常设置为零。由于漏极至源极电压 VDS 非零，因此漏极和源极之间会有小电流流过。当 Vgs 低于阈值电压 Vt 时，即在亚阈值或弱反型区，就会发生亚阈值泄漏。该区域的漏极源极电流并不为零，而是与 Vgs 呈指数关系，主要原因是少数载流子的扩散。

该电流在很大程度上取决于温度、工艺、晶体管尺寸和类型。短沟道晶体管的电流会增大，阈值电压较高的晶体管的电流会减小。亚阈值斜率因子 S 描述了晶体管从关断（低电流）切换到导通（高电流）的有效程度，定义为使漏极电流变化十倍所需改变的 VGS 的变化量：

其中，n 是亚阈值斜率系数（通常约为 1.5）。对于 n = 1，斜率因子为 60mV/10 倍，这意味着每低于阈值电压 Vt 60mV，漏极电流就会减少十倍。典型的 n = 1.5 意味着电流下降速度较慢，为 90mV/10 倍。为了能够有效地关闭 MOS 晶体管并减少亚阈值泄漏，栅极电压必须降到足够低于阈值电压的水平。

▷栅极氧化层隧穿泄露

对于极薄的栅极氧化层（厚度低于约 3 纳米），必须考虑隧穿泄漏电流的影响。这种电流与温度有关，由多种机制引发。Fowler-Nordheim 遂穿是在高电场作用下，电子通过氧化层形成的三角形势垒时产生。随着有效势垒高度降低，隧道电流随温度升高而增大。较高的温度也会增强 trap-assisted 隧穿现象，即电子借助氧化层中的中间陷阱态通过。对于超薄氧化层，直接隧穿变得显著，由于电子热能的增加，隧穿概率也随之上升。

2.阈值电压降低

MOS 晶体管的阈值电压 Vt 与温度密切相关，通常随着温度的升高而线性降低。这是由于本征载流子浓度增加、半导体禁带变窄、半导体 - 氧化物界面的表面电位的变化以及载流子迁移率降低等因素造成的。温度升高导致的阈值电压降低会引起亚阈值漏电流呈指数增长。

3.载流子迁移率下降

载流子迁移率直接影响 MOS 晶体管的性能，其受晶格散射与杂质散射的影响。温度升高时，晶格振动（声子）加剧，导致电荷载流子的散射更加频繁，迁移率随之下降。此外，高温还会增加本征载流子浓度，引发更多的载流子 - 载流子散射，进一步降低迁移率。当温度从 25°C 升高到 200°C 时，载流子迁移率大约会减半。

载流子迁移率显著影响多个关键的 MOS 参数。载流子迁移率的下降会降低驱动电流，减少晶体管的开关速度和整体性能。更高的导通电阻会增加功率损耗并降低效率。较低的迁移率还会降低跨导，使亚阈值斜率变缓（增加亚阈值泄漏），降低载流子饱和速度（对于短沟道器件至关重要），并间接影响阈值电压。

4.提高闩锁效应敏感性

集成电路中各个二极管、晶体管和其他元件之间的隔离是通过反向偏置 P-N 结来实现的。在电路开发过程中，需采取预防措施以确保这些结在预期应用条件下始终可靠阻断。这些 P-N 结与其他相邻结形成 N-P-N 和 P-N-P 结构，从而产生寄生 NPN 或 PNP 晶体管，这些晶体管可能会被意外激活。

当寄生 PNP 和 NPN 双极晶体管相互作用，在电源轨和接地之间形成低阻抗路径时，CMOS IC 中就会出现闩锁效应（Latch-up）。这会形成一个具有正反馈的可控硅整流器（SCR），导致过大的电流流动，并可能造成永久性器件损坏。图 1 显示了标准 CMOS 逆变器的布局截面图。图中还包含寄生 NPN 和 PNP 晶体管。正常工作时，所有结均为反向偏置。

图 1. 带标记的寄生双极晶体管逆变器截面图和寄生双极晶体管示意图

闩锁效应的激活主要取决于寄生 NPN 和 PNP 晶体管的 β 值，以及 N - 阱、P - 阱和衬底电阻。随着温度的升高，双极晶体管的直流电流增益（β）以及阱和衬底的电阻也会增加。

在高温条件下，闩锁效应灵敏度的增加也可以视为双极结型晶体管（BJT）阈值电压的降低，从而更容易在阱和衬底电阻上产生足以激活寄生双极晶体管的压降。基极 - 发射极电压随温度变化降低的幅度约为 -2mV/℃，当温度从 25℃升至 200℃时，基极 - 发射极电压降低 350mV。室温下的典型阈值电压为 0.7V，这意味着阈值电压大约减半。

5.加速损耗机制

Arrhenius 定律在可靠性工程中被广泛用于模拟温度对材料和元器件失效率的影响。

其中，R( T) 是速率常数，Ea 是活化能，k 是玻尔兹曼常数（8.617 · 10⁻⁵eV/K），T 为绝对温度（单位：开尔文）。通常，每升高10°C可靠性就会降低一半。

▷经时击穿-TDDB

TDDB 是电子器件中的一种失效机制，其中介电材料（例如 MOS 晶体管中的栅氧化层）由于长时间暴露于电场下而随时间退化，导致泄漏电流增加。当电压促使高能电子流动时，在氧化层内部形成导电路径，同时产生陷阱和缺陷。当这些导电路径在氧化层中造成短路时，介电层就会失效。失效时间 TF 随着温度的升高而呈指数级减少。

▷负 / 正偏置温度不稳定性 - NBTI / PBTI

NBTI 影响以负栅极 - 源极电压工作的 p 沟道 MOS 器件，而 PBTI 则影响处于积累区的 NMOS 晶体管。在栅极偏压下，缺陷和陷阱会增加，导致阈值电压升高，漏极电流和跨导减少。这种退化显示出对数时间依赖性和指数温度上升，在高于 125°C 时有部分恢复。

▷电迁移

电迁移是指导体中的金属原子因电流流动而逐渐移位，形成空隙和小丘。因此，如果金属线中形成的空隙大到足以切断金属线，就会导致开路；如果这些凸起延伸得足够长以至于在受影响的金属与相邻的另一金属之间形成桥接，则可能导致短路。电迁移会随着电流密度和温度的升高而加快，尤其是在空隙形成后，会导致电流拥挤和局部发热。金属线发生故障的概率与温度成指数关系，与电流密度成平方关系，与导线长度成线性关系。铜互连器件可承受的电流密度约为铝的五倍，同时可靠性相似。

▷热载流子退化

当沟道电子在 MOS 晶体管漏极附近的高电场中加速，会发生热载流子退化。在栅极氧化层中产生界面态、陷阱或空穴。它影响诸如阈值电压 VT、电流增益 β、导通电阻 RDS_ON 和亚阈值泄漏等参数。在较高温度下，平均自由程减少，降低了载流子获得的能量，使得热载流子退化在低温条件下更为显著。

在当今快速发展的电力电子技术领域，功率半导体器件的性能优化至关重要。双脉冲测试（DPT）作为一种关键的测试方法，为功率器件的动态行为评估提供了精准的手段。本文将深入解析双脉冲测试的原理、应用及泰克科技在这一领域的先进解决方案，并介绍泰克专家高远新书的相关内容。

双脉冲测试的目标参数

在设计功率转换器时，理想状态是功率损耗为零，但现实中开关损耗不可避免。传统的硅基转换器效率约为87%至90%，这意味着10%至13%的输入功率以废热形式耗散，其中大部分损耗发生在MOSFET或IGBT等开关器件中。因此，精确测量这些器件的开关参数对于优化设计、提升效率至关重要。

双脉冲测试是测量MOSFET或IGBT开关参数的首选方法，被广泛应用于JEDEC和IEC标准中，如JEP182、JESD24-10、IEC 60747-9等。该测试方法能够在受控的电压、电流和温度条件下，通过脉冲限制被测器件（DUT）的自发热并保持稳定的结温，从而准确测量开关参数。

双脉冲测试的目标是测量以下开关参数：

·导通参数：包括导通延迟时间td(on)、VDS下降时间tf、导通时间ton、最大漏极电流ID、dv/dt、di/dt、导通能量Eon和动态导通电阻RDS(on)。

·关断参数：包括关断延迟时间td(off)、VDS上升时间tr、关断时间toff、最大漏源电压VDSM、dv/dt、di/dt、关断能量Eoff和输出电荷Qoss。

·反向恢复参数：包括反向恢复时间tr、反向恢复电流Ir、反向恢复电荷Qrr、反向恢复能量Err和正向导通电压VSD。

双脉冲测试的三阶段

典型的双脉冲测试电路如图1所示，通过高侧和低侧FET的配置，实现对功率器件的精确测量。

测试分为三个重要阶段：

1)建立目标测试电流，调整第一个脉冲的宽度以通过负载电感提供所需的测试电流。

2)第一个脉冲的关断及测量，此时 Id已达到目标测试电流，并在功率器件关断时降至零。测量关断延迟(td(off))、下降时间( tf )、关断时间( toff)、关断能量(Eoff)、dv/dt 和di/dt。负载电流从负载电感流经续流二极管。关断时间保持较短以将负载电流维持在目标Id。

3)第二个脉冲的导通及测量，在此阶段进行导通测量，目标Id开始重新流入功率器件。导通期间的电流过冲是由于续流二极管反向恢复时的暂时过量电流。第二个脉冲宽度仅保持足够长以确保稳定测量，同时避免过热。

图1：用于测量低侧FET开关损耗的双脉冲测试电路；图2：以MOSFET为DUT的电流流向；图3：以IGBT为DUT的电流流向。

图4：双脉冲测试波形。顶部波形显示施加到栅极或栅极驱动器的信号。底部信号是对应的漏极电流（Ic）和漏源电压（VDS）。测量在第1和第2阶段以及第2和第3阶段之间的过渡处进行。

泰克科技的双脉冲测试解决方案

泰克科技提供全面的仪器、探头和软件，以满足双脉冲测试的需求。典型的仪器配置包括：

·信号源：提供栅极驱动信号，通常使用任意/函数发生器（AFG），如AFG31000系列或内置在示波器中的AFG。

·直流电源：提供足够的漏极电压和电流，如EA–PSI 10000可编程电源或Keithley 2657A高压源测量单元。

·多通道数字示波器：用于采集和测量VDS、VGS和ID，如泰克5系列B MSO, 4 系列B MSO 和6 系列B MSO 操作相同，只是规格不同。

·示波器探头：探头选择对获得有效结果至关重要，泰克科技提供多种探头以满足不同测试需求。

·双脉冲测试应用软件：如4、5和6系列B MSO的双脉冲测试软件Opt. WBG-DPT，有助于进行可重复的测量。

泰克科技的双脉冲测试解决方案具有显著优势。其自动化测量功能相比手动测试方法，能够显著提高测量效率和准确性。此外，泰克科技还提供详细的双脉冲测试示例详解，包括导通能量与关断能量计算方法、反向恢复能量损耗计算公式等。

《SiC功率器件》新版深入探讨双脉冲测试

《SiC功率器件：特性、测试和应用技术》第二版即将重磅发布，其作者高远先生作为泰克科技的资深行业专家，凭借多年在碳化硅器件测试与表征领域的深厚积累，为本书注入了极具价值的专业内容。此次新书不仅对SiC功率器件的特性、测试和应用技术进行了全面而深入的剖析，更在第5章中由泰克科技详细阐述了双脉冲测试技术的关键要素，涵盖基本原理、参数设定、测试平台搭建、测量仪器及设备选型等多方面内容。书中还深入探讨了电压测量点间寄生参数的影响，并针对不同测试场景提出了动态特性测试结果的评判标准与双脉冲测试设备的选型要点，极具实用价值。

随着国产碳化硅产业的蓬勃发展，此次第二版的更新，无疑为工程师和科研工作者提供了与时俱进的行业动态与技术指引。此外，本书的英文版也将在7月与全球读者见面，进一步扩大其在国际领域的影响力，助力全球碳化硅技术的交流与发展。

双脉冲测试是功率半导体器件测试的关键技术，泰克科技凭借其先进的仪器和软件，为工程师提供了强大的测试支持。高远先生的新书《SiC功率器件：特性、测试和应用技术》进一步深化了对SiC器件测试技术的理解，为行业的发展提供了宝贵的参考。

关于泰克科技

泰克公司总部位于美国俄勒冈州毕佛顿市，致力提供创新、精确、操作简便的测试、测量和监测解决方案，解决各种问题，释放洞察力，推动创新能力。70多年来，泰克一直走在数字时代前沿。欢迎加入我们的创新之旅，敬请登录：tek.com.cn

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新许可协议使德意志银行能够更广泛地获得IBM创新的软件解决方案使用权限，以加速创新、优化运营,并提升客户体验

德意志银行（法兰克福：DBK）与IBM（纽约证券交易所：IBM）日前宣布，双方将通过一项战略协议继续深化合作，该协议将为德意志银行提供进一步获得IBM全面的软件解决方案套件的权限。这包括IBM的业务和IT自动化平台、先进的混合云产品，以及对watsonx人工智能产品组合的使用权限。此外，德意志银行还将受益于IBM Storage Protect软件套件的最新升级。

这些创新解决方案使德意志银行能够进一步优化其业务流程、IT基础设施和服务。通过采用IBM的技术，德意志银行旨在替换现有解决方案、最大化其投资回报率（ROI），并提供更优质的客户体验。该协议标志着两家公司长期合作关系的重要延续，尤其涉及德意志银行现有的软件资产。

德意志银行集团技术基础设施负责人兼美洲地区技术数据与创新负责人Tony Kerrison表示："IBM 是德意志银行雄心勃勃的技术转型计划的天然合作伙伴，其创新解决方案持续助力我们优化和简化技术架构。我们战略性地采用 IBM 的软件和工具，这与我们现代化、简化和强化技术基础设施的愿景相辅相成。"

IBM 德意志银行全球业务总监Dominic Schulz表示："我们很高兴德意志银行进一步深化了与IBM的合作关系，并采用了我们创新的软件解决方案组合。借助IBM全面的解决方案组合，包括创新的watsonx人工智能和自动化解决方案，德意志银行将能够更深入地分析数据、简化复杂的业务流程，并推动IT自动化。"

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稿源：美通社