半導體器件的電磁損傷效應與機理研究.pdf

1、電磁脈沖炸彈和高功率微波武器等新概念電子戰(zhàn)武器的快速發(fā)展以及雷達和無線通信系統(tǒng)的廣泛使用使得電子系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境日益復雜化,另一方面半導體器件和集成電路特征尺寸的不斷縮小、功耗的不斷降低以及工作頻率的不斷提高使得電子系統(tǒng)對電磁能量的敏感度和易損性與日俱增,因此研究電磁脈沖(electromagnetic pulse, EMP)對電子系統(tǒng)的干擾和損傷效應進而提高電子系統(tǒng)的抗干擾能力變得越來越重要。電磁脈沖可通過天線、電纜和孔縫等耦合進入

2、電子系統(tǒng)內部,引起半導體器件的退化或損傷。因此研究 EMP對半導體器件的損傷效應與機理是電子系統(tǒng) EMP效應研究的基礎。
　　本論文采用半導體器件數值仿真與實驗相結合的方法,研究了幾種典型半導體器件的 EMP損傷效應與機理,主要的研究內容和研究成果包括以下幾個方面:
　　1.采用半導體器件和工藝仿真工具 ISE-TCAD建立了 p-n-n+二極管的二維數值仿真模型,考慮了器件的自熱、雪崩碰撞電離等效應,對 EMP作用下二極管

3、的燒毀過程進行了瞬態(tài)電熱仿真,分析了二極管內部的電場強度、電流密度和溫度分布的瞬時變化,討論了影響二極管燒毀的因素,計算了二極管的損傷能量閾值。仿真結果表明,二極管燒毀是由熱二次擊穿導致的。雪崩產生率隨溫度升高而減小以及熱產生率隨溫度升高而增大是熱二次擊穿發(fā)生的根本原因,二次擊穿后二極管表現出的負阻效應導致電流集中,使二極管局部溫度迅速升高,從而引起二極管燒毀。二次擊穿觸發(fā)溫度隨二次擊穿延遲時間增加而降低,隨載流子壽命增大而升高。仿真得

4、到的二極管損傷能量閾值隨脈沖寬度的增加而增大,脈寬較短時,損傷能量近似為一常數,脈寬較長時,損傷能量與脈寬的平方根近似成正比,與現有熱模型一致。與實驗數據的定量比較結果表明,仿真得到的能量閾值比熱模型的預測更精確。
　　2.建立了 PIN限幅二極管的二維電熱仿真模型,研究了其在 EMP作用下的瞬態(tài)響應,分析了電流絲形成及運動機理,討論了電流絲運動方式及其對 PIN二極管損傷的影響。結果顯示,PIN二極管發(fā)生雪崩擊穿后由于空間電荷產

5、生的負阻效應引起的不穩(wěn)定性致使 I層內形成雪崩電流絲,局部溫度迅速升高。雪崩電離率的負溫度系數驅使雪崩電流絲向低溫區(qū)運動,電流絲運動促使器件 I層內的橫向溫度分布趨于均勻,避免因局部過熱而導致器件快速燒毀。電流絲到達器件邊緣后溫度迅速升高,若低于臨界溫度,電流絲沿原路返回或跳躍到低溫區(qū);若超過臨界溫度,雪崩電流絲轉變?yōu)闊犭娏鹘z,被釘扎在器件邊緣,溫度升高的同時不斷收縮,導致 PIN二極管局部燒毀。在亞微秒脈寬內,損傷能量隨脈寬減小呈下降

6、趨勢,電流絲形成位置的不確定性致使 PIN二極管損傷能量表現出一定的離散性。
　　3.針對典型高頻小信號雙極型晶體管(BJT),建立了其二維電熱模型,研究了強電磁脈沖從基極注入時 BJT的瞬態(tài)響應。結果表明,BJT的損傷機理與脈沖幅度有關,低脈沖幅度下 BJT損傷是由于發(fā)射結發(fā)生雪崩擊穿導致局部燒毀,燒毀點位于發(fā)射結邊緣的柱面區(qū);而在高脈沖幅度下,基區(qū)-外延層-襯底組成的 p-n-n+結構發(fā)生了二次擊穿,導致靠近發(fā)射極一側的基極邊

7、緣由于電流密度過大而先于發(fā)射結燒毀;BJT損傷能量隨脈沖幅度升高呈現減小-增大-減小的變化趨勢,存在一個最小值。與實驗結果的對比表明,本文的模型能夠準確模擬 EMP作用下 BJT的燒毀過程。
　　4.開展了兩級級聯低噪聲放大器(LNA)高功率微波前門注入效應實驗,研究了其性能退化及功能損傷效應和閾值,對失效 LNA進行了破壞性失效分析。結果顯示,當注入信號功率超過一定值時,LNA的噪聲系數明顯增加,增益也有所下降,性能退化;當信號

8、功率繼續(xù)增加到某一臨界值時,LNA的噪聲系數和增益嚴重惡化,功能完全喪失。LNA損傷功率閾值隨注入脈沖寬度減小而增大。LNA退化或損傷是由第一級晶體管退化或損傷導致的。GaAs HEMT退化機理為注入信號作用下柵極金屬與 GaAs相互擴散引起柵金屬下沉導致柵-源/漏肖特基結退化,表現為柵-源/漏肖特基結反向漏電、正向導通電壓降低;晶體管損傷機理與注入信號形式有關:連續(xù)波或微秒級脈沖注入時晶體管損傷機理為柵-源反向擊穿,表現為柵-源/漏短