半導(dǎo)體器件的電磁損傷效應(yīng)與機(jī)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(dá)和無(wú)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(fù)雜化,另一方面半導(dǎo)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(duì)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(duì)電子系統(tǒng)的干擾和損傷效應(yīng)進(jìn)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(jìn)入

2、電子系統(tǒng)內(nèi)部,引起半導(dǎo)體器件的退化或損傷。因此研究 EMP對(duì)半導(dǎo)體器件的損傷效應(yīng)與機(jī)理是電子系統(tǒng) EMP效應(yīng)研究的基礎(chǔ)。
　　本論文采用半導(dǎo)體器件數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了幾種典型半導(dǎo)體器件的 EMP損傷效應(yīng)與機(jī)理,主要的研究?jī)?nèi)容和研究成果包括以下幾個(gè)方面:
　　1.采用半導(dǎo)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(shù)值仿真模型,考慮了器件的自熱、雪崩碰撞電離等效應(yīng),對(duì) EMP作用下二極管

3、的燒毀過程進(jìn)行了瞬態(tài)電熱仿真,分析了二極管內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度和溫度分布的瞬時(shí)變化,討論了影響二極管燒毀的因素,計(jì)算了二極管的損傷能量閾值。仿真結(jié)果表明,二極管燒毀是由熱二次擊穿導(dǎo)致的。雪崩產(chǎn)生率隨溫度升高而減小以及熱產(chǎn)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(xiàn)出的負(fù)阻效應(yīng)導(dǎo)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(shí)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(shí),損傷能量近似為一常數(shù),脈寬較長(zhǎng)時(shí),損傷能量與脈寬的平方根近似成正比,與現(xiàn)有熱模型一致。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定量比較結(jié)果表明,仿真得到的能量閾值比熱模型的預(yù)測(cè)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(yīng),分析了電流絲形成及運(yùn)動(dòng)機(jī)理,討論了電流絲運(yùn)動(dòng)方式及其對(duì) PIN二極管損傷的影響。結(jié)果顯示,PIN二極管發(fā)生雪崩擊穿后由于空間電荷產(chǎn)

5、生的負(fù)阻效應(yīng)引起的不穩(wěn)定性致使 I層內(nèi)形成雪崩電流絲,局部溫度迅速升高。雪崩電離率的負(fù)溫度系數(shù)驅(qū)使雪崩電流絲向低溫區(qū)運(yùn)動(dòng),電流絲運(yùn)動(dòng)促使器件 I層內(nèi)的橫向溫度分布趨于均勻,避免因局部過熱而導(dǎo)致器件快速燒毀。電流絲到達(dá)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(zhuǎn)變?yōu)闊犭娏鹘z,被釘扎在器件邊緣,溫度升高的同時(shí)不斷收縮,導(dǎo)致 PIN二極管局部燒毀。在亞微秒脈寬內(nèi),損傷能量隨脈寬減小呈下降

6、趨勢(shì),電流絲形成位置的不確定性致使 PIN二極管損傷能量表現(xiàn)出一定的離散性。
　　3.針對(duì)典型高頻小信號(hào)雙極型晶體管(BJT),建立了其二維電熱模型,研究了強(qiáng)電磁脈沖從基極注入時(shí) BJT的瞬態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明,BJT的損傷機(jī)理與脈沖幅度有關(guān),低脈沖幅度下 BJT損傷是由于發(fā)射結(jié)發(fā)生雪崩擊穿導(dǎo)致局部燒毀,燒毀點(diǎn)位于發(fā)射結(jié)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(jié)構(gòu)發(fā)生了二次擊穿,導(dǎo)致靠近發(fā)射極一側(cè)的基極邊

7、緣由于電流密度過大而先于發(fā)射結(jié)燒毀;BJT損傷能量隨脈沖幅度升高呈現(xiàn)減小-增大-減小的變化趨勢(shì),存在一個(gè)最小值。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明,本文的模型能夠準(zhǔn)確模擬 EMP作用下 BJT的燒毀過程。
　　4.開展了兩級(jí)級(jí)聯(lián)低噪聲放大器(LNA)高功率微波前門注入效應(yīng)實(shí)驗(yàn),研究了其性能退化及功能損傷效應(yīng)和閾值,對(duì)失效 LNA進(jìn)行了破壞性失效分析。結(jié)果顯示,當(dāng)注入信號(hào)功率超過一定值時(shí),LNA的噪聲系數(shù)明顯增加,增益也有所下降,性能退化;當(dāng)信號(hào)

8、功率繼續(xù)增加到某一臨界值時(shí),LNA的噪聲系數(shù)和增益嚴(yán)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(jí)晶體管退化或損傷導(dǎo)致的。GaAs HEMT退化機(jī)理為注入信號(hào)作用下柵極金屬與 GaAs相互擴(kuò)散引起柵金屬下沉導(dǎo)致柵-源/漏肖特基結(jié)退化,表現(xiàn)為柵-源/漏肖特基結(jié)反向漏電、正向?qū)妷航档?晶體管損傷機(jī)理與注入信號(hào)形式有關(guān):連續(xù)波或微秒級(jí)脈沖注入時(shí)晶體管損傷機(jī)理為柵-源反向擊穿,表現(xiàn)為柵-源/漏短