Der 2N2222A ist ein Hochfrequenztransistor mit einer Spannungsfestigkeit von
40V, einer Stromtragfähigkeit von 800mA und einer Grenzfrequenz von 300MHz. Die
Variante 2N2222 ist etwas schlechter spezifiziert.
Dieser 2N2222A wurde 1995 von
Motorola gefertigt.
Das Die besitzt eine Kantenlänge von 480µm.
Die innere Metallfläche stellt den Emitterkontakt dar. Die Umrisse des quadratischen Bondbereichs sind ebenso zu erkennen wie die Umrisse der Kontaktflächen zum darunter liegenden Emitter. Die Emitterfläche ist etwas größer ausgeführt als die Metallisierung und grau dargestellt. Die braune Basisfläche umschließt die Emitterfläche. Genau genommen liegt die Emitterfläche auf der Basisfläche. Die ineinandergreifenden Geometrien garantieren eine niederohmige Anbindung von Basis und Emitter.
Ein strombegrenzter Durchbruch der Basis-Emitter-Strecke führt zu einem deutlichen Leuchten der Basis-Emitter-Grenzfläche, das auch mit bloßem Auge erkennbar ist.
Stellt man nur einen sehr geringen Strom (~10mA) ein, so kann man auch hier den stufenweisen Durchbruch erahnen (oben).
Ein zu hoher Strom oder eine zu lange andauernde Belastung führen letztlich auf Grund der anfallenden Wärme zur Zerstörung des Transistors. Das hier verlinkte Video dokumentiert einen solchen Vorgang. Das stärkere Leuchten kurz vor dem Durchschlag entstand durch eine weitere Stromerhöhung.
Die geringe Helligkeit lässt auch bei hohen ISO-Werten nur eine Bildfrequenz von 30 Bildern pro Sekunde zu. Der Ausfall des Transistors nimmt lediglich die Dauer einer Belichtung ein.
Am Basisanschluss befindet sich eine Art Lichtbogen. Gleichzeitig leuchtet weiterhin die Basis-Emitter-Grenzfläche. Das Bild erweckt so den Eindruck, dass die Zerstörung des Transistors nicht von der Basis-Emitter-Grenzfläche, sondern von der Kontaktierung des Basisbereichs ausging. Die lange Belichtungszeit täuscht aber.
Oberhalb der oberen Basiskontaktierung zeichnet sich ein massiver Schaden innerhalb der Basisfläche ab (1). Wahrscheinlich wurde hier im ersten Schritt die Basis-Emitter-Grenzfläche zerstört. Im sogenannten Lawinendurchbruch hatte die Basis-Emitter-Strecke davor schon gearbeitet. Dabei war die Halbleiterstruktur aber noch intakt, der Stromfluss wurde von der Quelle begrenzt und es stellte sich ein Spannungsabfall im Bereich von 8V ein. Ab einer gewissen Belastung wird die Basis-Emitter-Fläche zu heiß und degeneriert. Die Halbleiterstruktur wird nachhaltig zerstört. Wo der Durchschlag erfolgt, ist von vielen Faktoren abhängig. Eventuell gab es an dieser Stelle einen lokalen Hotspot oder eine Störstelle. Die Zerstörung der Basis-Emitter-Strecke führt im ersten Moment dazu, dass an der betroffenen Stelle sehr viel weniger Spannung abfällt. Der durch den Transistor fließende Strom konzentriert sich in der Folge an diesem Punkt und erhitzt ihn noch weiter. Das Resultat ist der Schatten zwischen Basis- und Emittermetallisierung, wo sich der Aufbau des Halbleiters geändert hat.
Den Strom lieferte ein relativ einfaches Labornetzteil, das auf einen Abfall der Spannung vermutlich kurzzeitig mit einer Stromerhöhung reagiert hat. Das beschleunigt und verstärkt die Zerstörung der Strukturen.
Die thermische Belastung im oberen Bereich führte dann dazu, dass sowohl die Basis- als auch die Emittermetallisierung degenerierten. Auf beiden Seiten sind Verfärbungen und Schäden zu erkennen. Die weitaus dünnere Basismetallisierungen schmolz dabei auf und zog sich in den Randbereich zurück (2).
Die Zerstörung der dünnen Basismetallisierung im oberen Bereich (2) hat den Stromfluss dann anscheinend so weit reduziert, dass darunter ein zweiter Durchbruch der Basis-Emitter-Strecke erfolgte (3). An dieser Stelle ist ein weiterer Schatten innerhalb der Basisfläche zu erkennen. Die Zerstörung ist aber etwas weniger stark ausgeprägt.
Letztlich zerstörte die thermische Belastung die Basismetallisierung bis hin zum Bondpad (4). Zuletzt reißt die Verbindung in der rechten unteren Ecke des Bondpads ab (5), was den relativ hellen Lichtbogen im Bildausschnitt des Videos erzeugt. Dazu passend ist die Fläche rechts des Bondpads noch etwas stärker beschädigt. Dort zeichnet sich ein kleiner brauner Fleck ab.
Betrachtet man den Videoausschnitt erneut, so kann man die
Leuchterscheinungen den Ereignissen zuordnen. Der erste Durchschlag der
Basis-Emitter-Fläche ist durch eine schwache Leuchterscheinung zu erahnen (1).
Das Abschmelzen der oberen Basiselektrode führt zu einer etwas helleren
Leuchterscheinung innerhalb dieser Elektrode (2).
Der zweite Durchschlag der
Basis-Emitter-Fläche war anscheinend nicht hell genug oder zu sehr vom linken
Bonddraht verdeckt.
Die Anbindung der Basismetallisierung an das Bondpad
leuchtet relativ hell, während sie abschmilzt (4). Wahrscheinlich dauerte das
Abschmelzen hier etwas länger als bei der oberen Basiselektrode (2). In der
rechten unteren Ecke bildet sich daraufhin der Lichtbogen aus mit dem die
Basisverbindung endgültig abreißt (5).
Seitlich betrachtet kann man erahnen, dass beim ersten Durchschlag der
Basis-Emitter-Fläche auch die
obere Emittermetallisierung angeschmolzen wurde.
Das Emitterbondpad
scheint ebenfalls Schaden genommen zu haben.
