強(qiáng)電磁脈沖作用下雙極油管損傷的研究

強(qiáng)電磁脈沖作用下雙極油管損傷的研究

1.損傷效應(yīng)仿真研究電磁脈沖（erp）是外阻力量的主要形式之一，對(duì)微書店的破壞非常嚴(yán)重。已經(jīng)報(bào)道了pmp對(duì)微書店損傷效應(yīng)的研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)單的熱效應(yīng)模型，wnsch和beam建立了基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)單熱效應(yīng)模型的故障評(píng)估公式。這些研究基于假設(shè)器官為熱傳導(dǎo)模的熱效應(yīng)分析和模型研究，并確定了熱傳導(dǎo)方程、階躍和脈沖持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系。這些研究是基于假設(shè)器官為熱傳導(dǎo)模型的假設(shè)，分析了電磁脈沖對(duì)寺院的損傷。該研究方法可以為微器官的可靠性評(píng)價(jià)提供一定的理論基礎(chǔ)，但模型遠(yuǎn)離了典型的微器官結(jié)構(gòu)，具有一定的局限性。考慮到對(duì)具體微件結(jié)構(gòu)的影響很小，隨著集成度的提高和設(shè)備幾何尺寸的進(jìn)一步減小，裝置室內(nèi)的單元強(qiáng)度、電流密度和溫度的分布以及變化對(duì)環(huán)境的影響越來越大。以往簡(jiǎn)單熱模型對(duì)微書店環(huán)境破壞的影響越大。因此，有必要結(jié)合典型的微器官結(jié)構(gòu)，研究中國(guó)館器的室內(nèi)電壓、電流密度和溫度的分布和變化規(guī)律，然后采取精確措施來提高抗彎破壞的能力。作者已經(jīng)研究報(bào)道了硅基集成低噪聲放大器(LNA)在脈沖調(diào)制射頻信號(hào)作用下的損傷效應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示LNA內(nèi)部的雙極晶體管(BJT)最容易受到過電應(yīng)力的影響而產(chǎn)生損傷效應(yīng),但文獻(xiàn)作為實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道并未對(duì)BJT內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度和溫度的分布變化規(guī)律進(jìn)行研究和分析.為了深入探討B(tài)JT的過電應(yīng)力損傷機(jī)理,本文利用器件仿真軟件Medici,結(jié)合現(xiàn)代典型雙極型器件n+-p-n-n+結(jié)構(gòu),分析了雙極器件在集電極注入脈沖電壓作用下其內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度和溫度隨脈沖作用時(shí)間的分布變化規(guī)律.討論了不同脈沖電壓幅度作用下雙極晶體管的損傷部位,獲得了器件EMP損傷部位隨著注入電壓幅度的變化而變化的規(guī)律.對(duì)現(xiàn)有的EMP損傷功率經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正,給出了針對(duì)雙極晶體管的損傷功率與脈寬之間修正后的關(guān)系.2.雙極晶體基極、集電極、發(fā)射極的計(jì)算本文采用現(xiàn)代典型雙極晶體管結(jié)構(gòu).由于器件結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,圖1只給出了BJT器件結(jié)構(gòu)的一半,定義發(fā)射極中心為坐標(biāo)原點(diǎn),從發(fā)射極到基極的水平方向?yàn)檎齒方向;從半導(dǎo)體表面到襯底的垂直方向?yàn)閅的正方向,B,C,E分別表示雙極晶體管基極、集電極和發(fā)射極;N+是n型重?fù)诫s發(fā)射區(qū),P是p型摻雜基區(qū),N-Epi是n型外延層,N+-Sub是n型重?fù)诫s硅襯底.此處器件雜質(zhì)分布與文獻(xiàn)中的器件雜質(zhì)分布相同.與文獻(xiàn)中對(duì)孤立器件的EMP損傷分析不同,為了真實(shí)反映EMP作用下器件內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度和溫度的分布變化情況,此處在注入電壓與器件C極間串聯(lián)了50Ω負(fù)載電阻Rc(圖1).在E極和B極接地情況下,對(duì)Rc施加上升沿為100ps,幅度為50V的階躍脈沖電壓,并維持至器件燒毀.采用2D-Medici電熱耦合模型對(duì)其進(jìn)行仿真分析,將器件中局部點(diǎn)溫度達(dá)到1688K的硅熔點(diǎn)作為器件燒毀的判據(jù).3.模擬結(jié)果與分析3.1.基區(qū)pn結(jié)和發(fā)射區(qū)pn結(jié)內(nèi)合作區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度圖2給出了在階躍脈沖作用下,器件內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度隨脈沖作用時(shí)間的分布變化情況.初始時(shí)較高的電場(chǎng)強(qiáng)度位于器件的pn結(jié)處,其中集電區(qū)和基區(qū)的pn結(jié)處是器件中電場(chǎng)強(qiáng)度最集中的部位(圖2(a)).由于發(fā)射區(qū)的重?fù)诫s使其下面的pn結(jié)具有較低的雪崩擊穿電壓,隨著集電極電壓增加達(dá)到一定強(qiáng)度之后,雪崩擊穿和導(dǎo)通現(xiàn)象首先在這個(gè)位置出現(xiàn),從而使該處的電場(chǎng)強(qiáng)度峰值逐漸減弱并消失(圖2(b)),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(圖2(c)),并且隨著脈沖作用時(shí)間的持續(xù)峰值逐漸向集電極方向擴(kuò)展(圖2(d)).3.2.脈沖橫斷群中體積結(jié)構(gòu)的變化圖3給出了在階躍脈沖作用下,器件內(nèi)部電流密度隨脈沖作用時(shí)間的分布變化情況.剛開始當(dāng)器件所加電壓太小不足以使B-E結(jié)正偏時(shí),發(fā)射區(qū)下面PIN結(jié)構(gòu)的反偏電流只能沿著結(jié)下面橫向流向基極,導(dǎo)致靠近發(fā)射極一側(cè)的基極邊緣處出現(xiàn)最大電流密度(圖3(a)),同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)橫向電勢(shì)差.隨著脈沖電壓幅度的增加,橫向電勢(shì)差(圖4)將導(dǎo)致在發(fā)射結(jié)的中心(x=0)處首先出現(xiàn)B-E結(jié)正偏,靠勢(shì)差近中心處的基區(qū)電子濃度增加,從而導(dǎo)致進(jìn)入集電結(jié)的電子數(shù)量增加,雪崩電流增加,在發(fā)射極中心和集電極之間出現(xiàn)導(dǎo)電通道(圖3(b)).伴隨脈沖作用時(shí)間的持續(xù),從雪崩區(qū)注入到基區(qū)的空穴越來越多,將導(dǎo)致整個(gè)B-E結(jié)正偏.此時(shí)在x=2—3μm處的電流都將流向發(fā)射極邊緣(x=2μm,y=0),從而在此處產(chǎn)生一個(gè)電流密度峰值(圖3(c)),并最(a)100ps;(b)200ps;(c)393ps;(d)1371ps終成為器件的最大電流密度處(圖3(d)).3.3.峰值溫度分布圖5是階躍脈沖作用下,器件內(nèi)部溫度分布隨脈沖作用時(shí)間不同的變化情況.功率密度是Q=J·E,所以溫度由電流密度J和電場(chǎng)強(qiáng)度E兩個(gè)參數(shù)共同決定.在t=200ps時(shí),發(fā)射極中心和集電極之間出現(xiàn)導(dǎo)電通道,此時(shí)功率密度Q的大小主要由電流密度J決定,溫度分布與電流密度分布相似,峰值溫度位于電流密度峰值處;在t=393ps時(shí),發(fā)射區(qū)之下的集電區(qū)處出現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度峰值,此時(shí)功率密度Q大小主要由電場(chǎng)強(qiáng)度E決定,則溫度分布相似于電場(chǎng)強(qiáng)度分布,峰值溫度出現(xiàn)在電場(chǎng)強(qiáng)度峰值附近,并且隨著時(shí)間的持續(xù)一直增至器件燒毀.從圖5(c)明顯看出,在t=1371ps時(shí),發(fā)射極附近存在一個(gè)溫度次極大值,這是因?yàn)樵诖颂庪娏髅芏群艽?圖3(d)),但其電場(chǎng)強(qiáng)度卻很小(圖2(d)),所以并非器件的首先燒毀部位.可見,由于電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度兩者的分布共同決定了器件內(nèi)部的溫度分布,因此在器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,如果設(shè)法改變器件的電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況,使其不在器件內(nèi)部的同一位置同時(shí)出現(xiàn)極值,則可以有效提高器件的抗EMP能力.3.4.抗側(cè)溶液結(jié)構(gòu)的雙注入和分解當(dāng)注入電壓足夠大時(shí),由基區(qū)-外延層-襯底組成的PIN結(jié)構(gòu)(圖1),將出現(xiàn)“雙峰電場(chǎng)”.圖6是器件在幅度為130V的階躍脈沖作用下的電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度和溫度的分布情況.在高幅度注入電壓下,雙極晶體管內(nèi)部的PIN結(jié)構(gòu)將發(fā)生“雪崩電離”和“雙注入”現(xiàn)象,從而導(dǎo)致靠近發(fā)射極一側(cè)(a)200ps;(b)393ps;(c)1371ps的基極邊緣處既是電場(chǎng)強(qiáng)度峰所在(圖6(a))同時(shí)又是電流密度密集之處(圖6(b)),該處熱量產(chǎn)生集中,升溫快,且會(huì)迅速超過低幅度注入電壓下的燒毀熱點(diǎn)(發(fā)射區(qū)中心下方的集電區(qū)附近),成為器件最先燒毀部位(圖6(c)).由此可見,雙極晶體管在EMP作用下,除發(fā)射區(qū)中心下方的集電區(qū)附近外,靠近發(fā)射極一側(cè)的基極邊緣處也是易受EMP損傷的部位之一.因此在雙極晶體管的抗EMP損傷設(shè)計(jì)中,針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和不同幅度的階躍脈沖,應(yīng)采取不同的加固對(duì)策.3.5.器件損傷能量目前,電磁脈沖損傷功率的研究一般都假設(shè)器件為球形熱源模型,根據(jù)脈沖寬度的不同,把器件的損傷分為三部分(短脈沖假設(shè)是絕熱狀態(tài)、長(zhǎng)脈沖考慮散熱、熱產(chǎn)生和熱傳導(dǎo)之間達(dá)到平衡),其損傷功率隨脈寬之間變化的規(guī)律如圖7所示,它也是業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的規(guī)律之一.在強(qiáng)電磁脈沖(ns量數(shù),P為損傷功率,T為脈寬)級(jí))作用下,器件處于短脈沖絕熱狀態(tài),圖7中其電磁脈沖損傷對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式為此處將雙極晶體管EMP損傷過程中的最大功率值作為該器件的損傷功率閾值,將器件的燒毀時(shí)間作為電壓脈沖的脈寬.通過對(duì)雙極晶體管進(jìn)行不同電壓幅度作用下的注入損傷分析,獲得了如圖8所示的器件損傷功率P與脈寬T之間的關(guān)系.利用曲線擬合軟件對(duì)其進(jìn)行了擬合,得到P與T之間的關(guān)系式為其相關(guān)系數(shù)R2=0.98表明具有很好的擬合精度.傳統(tǒng)上,利用球型熱源模型分析獲得的強(qiáng)電磁脈沖損傷的經(jīng)驗(yàn)公式(1),都是基于器件在強(qiáng)電磁脈沖作用下的損傷能量為恒定值,然而對(duì)于典型n+-p-n-n+結(jié)構(gòu)的雙極晶體管,在強(qiáng)電磁脈沖作用下其損傷能量并非恒定值.由于器件的熱點(diǎn)位置在不同的電磁脈沖強(qiáng)度作用下有所不同,從而導(dǎo)致了器件的損傷能量出現(xiàn)三個(gè)恒值區(qū)和一個(gè)上升區(qū),進(jìn)而導(dǎo)致了對(duì)圖7所示的P-T經(jīng)驗(yàn)公式中指數(shù)的修正.圖8同時(shí)表明,器件的損傷功率在高幅度注入電壓下存在跳變,這是由于在高幅度注入電壓下,器件的基區(qū)-外延層-襯底組成的PIN結(jié)構(gòu)發(fā)生了擊穿,從而導(dǎo)致了器件的燒毀時(shí)間急劇下降,在較小脈寬下就出現(xiàn)了損傷.4.器件在注射點(diǎn)處還將雙極口在EMP對(duì)雙極晶體管的損傷過程中,溫度是評(píng)估器件損傷程度的重要依據(jù)之一,它直接影響器件的性能參數(shù)和可靠性.本文的研究表明,器件的燒毀是由電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度兩方面共同決定,電場(chǎng)強(qiáng)度或電流密度的峰值部位也并非器件峰值溫度所在處,因此在分析器件的EMP損傷特性中,必須同時(shí)兼顧電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度兩個(gè)方面.在注入電壓幅度較低時(shí),發(fā)射區(qū)中心下方的集電區(qū)附近首先發(fā)生燒毀,這與以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合,由于實(shí)驗(yàn)都是通過逐漸增加注入電壓來測(cè)量和判斷器件的電磁脈沖損傷效應(yīng),其損傷部位也是與最小損傷電壓相對(duì)應(yīng),但對(duì)于高幅