雙極型光學(xué)晶體強(qiáng)電磁脈沖瞬態(tài)響應(yīng)分析

雙極型光學(xué)晶體強(qiáng)電磁脈沖瞬態(tài)響應(yīng)分析

外部電磁脈沖可通過(guò)各種方式進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并與敏感的半導(dǎo)器件相互作用，導(dǎo)致干擾和損壞，從而影響正常工作。雙極型晶體管(BJT)作為一種典型半導(dǎo)體器件,研究它在強(qiáng)電磁脈沖作用下的損傷效應(yīng),具有相當(dāng)重要的意義。針對(duì)半導(dǎo)體pn結(jié)在強(qiáng)電磁脈沖作用下的響應(yīng),國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少相關(guān)研究[1～4],利用數(shù)值模擬得到了不少很有意義的研究結(jié)果,而對(duì)于具有多個(gè)pn結(jié)的整體晶體管則往往只進(jìn)行1維數(shù)值模擬,2維瞬態(tài)數(shù)值研究則較少,這對(duì)于研究2維結(jié)構(gòu)的晶體管在強(qiáng)電磁脈沖作用下的燒毀效應(yīng)來(lái)說(shuō)是不夠的。本文利用自主開發(fā)的2維半導(dǎo)體器件數(shù)值仿真程序?qū)@種損傷效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)BJT在強(qiáng)電磁脈沖作用下的響應(yīng)特性進(jìn)行了分析,以期對(duì)這種損壞規(guī)律和機(jī)理的研究提供參考。1計(jì)算值的模型1.1集電極、發(fā)射極的種類本文數(shù)值計(jì)算采用的BJT結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中B,C,E分別表示基極、集電極和發(fā)射極;P,N分別為p型摻雜和n型摻雜,N+表示n型重?fù)诫s,ad=9μm,de=3.7μm,采用的摻雜分布如圖2所示。1.2器件熱性能的計(jì)算方法器件模擬采用漂移、擴(kuò)散理論[7～9],主要由電子和空穴連續(xù)性方程、電子和空穴輸運(yùn)方程、泊松方程、熱流方程來(lái)描述器件行為,其中用到的一些主要參量(如遷移率、熱導(dǎo)率、產(chǎn)生率等)要考慮到對(duì)高溫和強(qiáng)電場(chǎng)的依賴關(guān)系,復(fù)合率的計(jì)算考慮了SRH(Schockley-Read-Hall)復(fù)合和俄歇復(fù)合。對(duì)于這個(gè)剛性、耦合的非線性方程組,可以通過(guò)歸一化來(lái)去除方程組的剛性,采用耦合和非耦合相結(jié)合的混和算法來(lái)進(jìn)行非線性方程組的數(shù)值求解,利用時(shí)域有限差分法得到器件的瞬態(tài)物理特性。三個(gè)極板處采用歐姆接觸邊界條件并與溫度為的熱阱接觸其它邊緣采用漂移邊界條件器件初始溫度為300K,器件內(nèi)初始載流子濃度和電位分布為零偏壓時(shí)的平衡分布。2pn結(jié)器件燒變機(jī)理在各極板初始零偏壓的狀態(tài)下對(duì)晶體管集電極施加幅度為45V、上升沿時(shí)間為1ns的階躍電壓脈沖Vc,電壓從0上升到45V后一直保持直到器件燒毀,為了在一定程度上考慮外部電路對(duì)整個(gè)過(guò)程的影響,在集電極串接100Ψ電阻,并假設(shè)集電極端口面積為100μm2。觀察在這個(gè)過(guò)程中器件內(nèi)各個(gè)參數(shù)的分布及變化情況。圖3給出了電場(chǎng)強(qiáng)度分布隨時(shí)間的變化,可以看出,初始時(shí)較高的電場(chǎng)強(qiáng)度位于幾個(gè)半導(dǎo)體結(jié)處,其中pn結(jié)是器件中電場(chǎng)強(qiáng)度最集中的地方,隨著集電極電壓增加而達(dá)到一定強(qiáng)度以后,pn結(jié)開始發(fā)生強(qiáng)烈的雪崩倍增效應(yīng),很快該處的電場(chǎng)強(qiáng)度峰開始向集電極方向擴(kuò)展。由于發(fā)射極附近pn結(jié)具有較低的雪崩擊穿電壓,雪崩擊穿和導(dǎo)通現(xiàn)象開始在這個(gè)位置出現(xiàn),從而該處電場(chǎng)強(qiáng)度峰會(huì)漸漸減弱并消失,而集電極附近靠近發(fā)射極一側(cè)的位置則會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度峰,從而形成與1維pn結(jié)器件所不同的雙峰現(xiàn)象,并且這兩個(gè)峰會(huì)漸漸向器件兩端的集電極和基極擴(kuò)展。圖4給出了電流密度J分布隨時(shí)間的變化,可以看出,隨著雪崩倍增效應(yīng)的出現(xiàn),在發(fā)射極和集電極之間會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電通道,在這個(gè)通道上的電流密度遠(yuǎn)大于其它區(qū)域,另外在發(fā)射極的極板附近會(huì)逐漸有局部大電流出現(xiàn)。圖5給出了溫度分布隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?初始時(shí)熱量主要在pn結(jié)附近產(chǎn)生,這跟電場(chǎng)強(qiáng)度的分布基本一致;隨著發(fā)射極和集電極之間雪崩擊穿的發(fā)生,熱量主要產(chǎn)生于發(fā)射極和集電極之間形成的擊穿通道中,而由于擊穿通道中集電極附近具有較強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度,即具有較高的阻值,整個(gè)器件內(nèi)的最高溫度位于擊穿通道的集電極附近,隨著熱量的積累,這個(gè)位置會(huì)最先出現(xiàn)熱損壞而導(dǎo)致器件失效或燒毀。雖然在發(fā)射極附近會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的電流密度,但由于該處電場(chǎng)較小,并不會(huì)產(chǎn)生很多熱量,因而不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生什么影響。對(duì)于具有較高幅度的階躍電壓脈沖來(lái)說(shuō),晶體管內(nèi)參量分布會(huì)有相當(dāng)大的變化。對(duì)幅度為100V、上升沿為1ns的階躍電壓脈沖作用下的晶體管進(jìn)行仿真,其2ns時(shí)的電勢(shì)、電場(chǎng)和溫度分布分別如圖6(a),(b),(c)所示。可以看到,由于電壓較高,在基極和集電極之間也出現(xiàn)了雪崩擊穿后的雙峰現(xiàn)象,從而也有一定的熱量積累。另外由于雪崩擊穿后基極和發(fā)射極之間電勢(shì)抬高,造成be結(jié)反向擊穿,導(dǎo)致發(fā)射極附近出現(xiàn)沿-y方向的較高電場(chǎng),從而在發(fā)射極附近出現(xiàn)熱點(diǎn),如果電壓幅度足夠大,該熱點(diǎn)溫度甚至?xí)杆俪^(guò)集電極附近的熱點(diǎn)溫度,成為器件中率先燒毀的位置。這種高電壓下由于x方向擊穿而導(dǎo)致y方向擊穿的2維現(xiàn)象,是1維仿真所觀察不到的。為了解器件燒毀所需時(shí)間tf對(duì)階躍電壓幅度的依賴關(guān)系,我們仿真了不同電壓幅度階躍脈沖作用下晶體管的燒毀過(guò)程,脈沖上升沿時(shí)間為0.1ns,由于硅的熔點(diǎn)約為1680K,所以當(dāng)器件中某位置溫度達(dá)到1680K時(shí)則判定其發(fā)生燒毀失效。圖7表示器件燒毀所需時(shí)間隨電壓幅度的變化,其中實(shí)線是曲線擬合的結(jié)果?？梢钥闯鲈撟兓€基本滿足tf=AVc-B(A,B為常數(shù))的形式。圖8表示器件燒毀所需能量隨電壓幅度的變化。可以看出,隨著電壓幅度的增加,雖然燒毀所需時(shí)間不斷減少,但燒毀所需能量是先不斷上升的,在55V到100V之間接近于線性增長(zhǎng);而到了100V以上,由于在發(fā)射極附近會(huì)出現(xiàn)溫度上升更快的熱點(diǎn),因此達(dá)到燒毀所需能量開始緩慢線性減少。如果將燒毀所需的時(shí)間作為電壓脈沖的脈寬,則可以得到晶體管在電壓脈沖作用下燒毀功率閾值和脈寬的關(guān)系,如圖9所示,其中實(shí)線是曲線擬合的結(jié)果,該結(jié)果和短電磁脈沖損傷的經(jīng)驗(yàn)公式Pf=Ktf-1(K為常數(shù))符合得相當(dāng)好。3脈沖電壓幅度的影響通過(guò)對(duì)雙極性晶體管在強(qiáng)電磁脈沖作用下的2維數(shù)值模擬可以看出,隨著器件內(nèi)電場(chǎng)增加到一定程度,雪崩擊穿出現(xiàn),擊穿通道位于發(fā)射極和集電極之間,從而可以觀察到與結(jié)所不同的晶體管雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn)之后溫度開始迅速上升直到器件燒毀整個(gè)過(guò)程中器件內(nèi)產(chǎn)生的熱量比較集中,在電壓脈沖幅度較低時(shí)燒毀點(diǎn)位于擊穿通道中靠近集電極的位置,當(dāng)電壓幅度較高時(shí)則會(huì)發(fā)生基極-發(fā)射極正向擊穿,從而在發(fā)射極附近出現(xiàn)一個(gè)新的熱點(diǎn),并在電壓幅度約高于10