任興榮 柴常春 馬振洋 楊銀堂 喬麗萍 史春蕾

1 引言

隨著半導(dǎo)體器件尺寸不斷縮小,半導(dǎo)體器件對(duì)外界電磁能量敏感度不斷上升.空間電磁脈沖有可能通過(guò)孔、縫或天線耦合等多種途徑進(jìn)入電子系統(tǒng)內(nèi)部,作用到敏感的半導(dǎo)體器件上,產(chǎn)生干擾或破壞,影響整個(gè)電子系統(tǒng)的正常工作,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電子系統(tǒng)喪失功能.因此,研究半導(dǎo)體器件在電磁脈沖作用下的損傷效應(yīng)具有重要意義.雙極晶體管(BJT)作為一種典型的半導(dǎo)體器件,研究其在強(qiáng)電磁脈沖作用下的損傷效應(yīng)和機(jī)理對(duì)器件和電路的抗電磁輻射加固具有重要意義.

在電子線路中,晶體管的共發(fā)射極接法應(yīng)用最為廣泛.在共發(fā)射極接法中,信號(hào)從基極輸入,從集電極輸出.因此,強(qiáng)電磁脈沖(EMP)最有可能從基極和集電極耦合進(jìn)入電路,對(duì)其造成干擾或破壞.針對(duì)EMP從集電極注入的情況,國(guó)內(nèi)外已有不少相關(guān)研究[1-11],而針對(duì)EMP從基極注入的情況報(bào)道卻較少[12,13].文獻(xiàn)[12]借助二維數(shù)值仿真研究了EMP分別從集電極、發(fā)射極和基極注入時(shí)晶體管的瞬態(tài)響應(yīng),通過(guò)分析BJT內(nèi)部溫度分布得到了基極注入最難燒毀的結(jié)論,但是并未計(jì)算出基極注入時(shí)的燒毀時(shí)間和損傷能量,因此該結(jié)論的正確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證.文獻(xiàn)[13]同樣采用二維數(shù)值仿真研究了EMP從基極注入時(shí)器件內(nèi)部的熱點(diǎn)位置以及燒毀所需脈沖能量和功率與脈寬之間的關(guān)系,通過(guò)比較EMP分別從基極和發(fā)射極注入時(shí)損傷能量的大小,得出了基極注入較發(fā)射極注入更容易燒毀的結(jié)論.文獻(xiàn)[12]和[13]均是針對(duì)零偏壓狀態(tài)的BJT進(jìn)行EMP注入研究,而在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下BJT處于有源放大區(qū),因此有必要對(duì)處于有源放大區(qū)的BJT進(jìn)行EMP注入的損傷效應(yīng)和機(jī)理研究.

本文利用半導(dǎo)體工藝和器件仿真軟件ISETCAD對(duì)處于有源放大區(qū)的BJT從基極注入EMP時(shí)的損傷效應(yīng)進(jìn)行了二維瞬態(tài)仿真,分析了BJT燒毀的物理機(jī)理和熱點(diǎn)的形成機(jī)制,研究了BJT損傷能量與脈沖幅度之間的關(guān)系,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較.

2 器件結(jié)構(gòu)

仿真采用的BJT是典型平面工藝制造的Si雙擴(kuò)散外延晶體管,其二維結(jié)構(gòu)示于圖1,圖中只畫(huà)出了BJT的右半部分.圖中E,B和C分別代表發(fā)射極、基極和集電極;N+,P,N-epi和N+-sub分別代表重?fù)诫sn型發(fā)射區(qū)、p型基區(qū)、低摻雜n型外延層和重?fù)诫sn型襯底.發(fā)射結(jié)結(jié)深xje=0.4μm,集電結(jié)結(jié)深xjc=0.8μm,外延層厚度Wc=1.2μm,襯底厚度為200μm,發(fā)射區(qū)橫向?qū)挾葹?μm,基區(qū)橫向?qū)挾燃囱豿方向的總長(zhǎng)度為20μm,集電結(jié)面積為400μm2.BJT縱向(沿y方向)雜質(zhì)分布如圖2所示.

圖1 BJT二維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 BJT縱向(沿y方向)雜質(zhì)分布

3 數(shù)值模型

模擬EMP作用時(shí)BJT的燒毀過(guò)程需要考慮自熱效應(yīng).計(jì)算由自熱引起的器件內(nèi)部的溫度分布需要求解下面的熱傳導(dǎo)方程[14]：

其中,κ是熱導(dǎo)率,c是晶格熱容,EC和EV分別為導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂能量,R為復(fù)合率.

為了精確模擬自熱效應(yīng)對(duì)器件性能的影響,還需要考慮器件內(nèi)部溫度分布對(duì)載流子輸運(yùn)過(guò)程的影響.本文采用熱力學(xué)模型模擬載流子的輸運(yùn)過(guò)程.熱力學(xué)模型對(duì)漂移-擴(kuò)散模型在非等溫情況下進(jìn)行了擴(kuò)展,考慮了晶格溫度梯度對(duì)電流密度的貢獻(xiàn).考慮晶格溫度梯度影響后的電子和空穴電流密度方程為：

其中Pn和Pp分別表示電子和空穴的絕對(duì)熱電功率.

仿真時(shí)假定BJT的三個(gè)電極均為理想歐姆接觸,同時(shí)假定BJT只能通過(guò)集電極與外部交換能量,且集電極與溫度為300 K的理想熱沉連接.器件初始溫度為300 K,而當(dāng)BJT局部溫度達(dá)到Si熔點(diǎn)(1688 K)時(shí)即認(rèn)為器件被燒毀.

4 仿真結(jié)果與分析

仿真電路如圖3所示.考慮到反偏pn結(jié)較正偏更容易燒毀,對(duì)處于有源放大區(qū)的BJT,從基極注入上升時(shí)間為1 ns的負(fù)階躍電壓脈沖.

圖3 仿真電路示意圖

4.1 低幅度電壓脈沖作用下BJT的燒毀

圖4 示出了脈沖幅度為50 V時(shí)在燒毀時(shí)刻BJT內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度和溫度分布.BJT在有源放大狀態(tài)下從基極注入負(fù)階躍電壓脈沖時(shí),基極電位隨脈沖電壓上升而降低,發(fā)射結(jié)從正偏變成反偏,同時(shí)集電結(jié)反偏壓增大,導(dǎo)致發(fā)射結(jié)和集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度與電場(chǎng)強(qiáng)度均增大.由于集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度大于發(fā)射結(jié),因此發(fā)射結(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度大于集電結(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度,且由于結(jié)曲率效應(yīng),發(fā)射結(jié)邊緣柱面區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度大于平面區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度,如圖4(a)所示,電場(chǎng)峰值位于發(fā)射結(jié)邊緣的柱面區(qū).發(fā)射結(jié)邊緣柱面區(qū)率先發(fā)生雪崩擊穿,碰撞電離產(chǎn)生大量電子和空穴,電子從發(fā)射極流出,形成如圖4(b)所示的從發(fā)射結(jié)邊緣柱面區(qū)到發(fā)射極邊緣的縱向電流通道;而空穴從基極流出,形成從本征基區(qū)到非本征基區(qū)的橫向電流通道,如圖4(b)所示.由于BJT內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度峰值均位于發(fā)射結(jié)邊緣柱面區(qū),所以該區(qū)域的功率密度Q=J·E遠(yuǎn)大于其他區(qū)域,導(dǎo)致該區(qū)域溫度迅速上升而使BJT燒毀,如圖4(c)所示.

4.2 高幅度電壓脈沖作用下BJT的燒毀

圖5示出了脈沖幅度為100 V時(shí)在燒毀時(shí)刻BJT內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度和溫度分布.脈沖幅度為100 V時(shí),集電結(jié)反偏壓超過(guò)其雪崩擊穿電壓,集電結(jié)發(fā)生雪崩擊穿,雪崩倍增產(chǎn)生的電子被集電結(jié)電場(chǎng)掃向集電區(qū)形成集電極電流,而空穴則進(jìn)入基區(qū)形成基極電流的一部分.隨著電流密度的增加,當(dāng)外延層中的電子濃度超過(guò)施主雜質(zhì)濃度ND時(shí),集電區(qū)出現(xiàn)了負(fù)的凈空間電荷,空間電荷對(duì)電場(chǎng)的調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致外延層內(nèi)部電場(chǎng)減小,兩側(cè)邊界處電場(chǎng)增大,在集電結(jié)的冶金結(jié)和外延層-襯底界面的n-n+結(jié)形成了兩個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度峰,如圖5(a)基極一側(cè)的電場(chǎng)分布.集電結(jié)雪崩擊穿導(dǎo)致電子向外延層注入,而n-n+結(jié)雪崩擊穿導(dǎo)致空穴向外延層注入,形成了所謂的“雙注入”,此時(shí)由基區(qū)-外延層-襯底組成的p-n-n+二極管發(fā)生了二次擊穿[15,16].由于p-n-n+二極管的二次擊穿形成了從集電極到基極的電流,使得靠近發(fā)射極的基極邊緣電流密度超過(guò)了發(fā)射結(jié)柱面區(qū)電流密度,成為電流密度峰值,如圖5(b)所示.由于在高幅度電壓脈沖作用下發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都發(fā)生了擊穿,熱量產(chǎn)生主要集中于發(fā)射結(jié)柱面區(qū)以及基極一側(cè)的外延層.由于靠近發(fā)射極一側(cè)的基極邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度均較大,該區(qū)域溫度迅速升高,甚至?xí)^(guò)發(fā)射結(jié)柱面區(qū)溫度而率先達(dá)到Si熔點(diǎn),從而導(dǎo)致BJT燒毀,如圖5(c)所示.

4.3 損傷能量與脈沖幅度的關(guān)系

圖6示出了BJT損傷能量和燒毀時(shí)間隨脈沖幅度的變化關(guān)系,曲線大致分為三段.

圖5 脈沖幅度為100 V時(shí)BJT在燒毀時(shí)刻的電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度和溫度分布 (a)電場(chǎng)強(qiáng)度分布;(b)電流密度分布;(c)溫度分布

1)脈沖幅度在30—60 V時(shí),燒毀時(shí)間和損傷能量均隨脈沖幅度上升而減小.脈沖幅度小于60 V時(shí),只有發(fā)射結(jié)擊穿,BJT只有一個(gè)熱點(diǎn),位于發(fā)射結(jié)柱面區(qū).脈沖幅度越高,BJT功耗越大,熱點(diǎn)溫度上升越快,燒毀時(shí)間越短,熱點(diǎn)向周?chē)鷶U(kuò)散的能量越少,因而損傷能量也越小.

2)脈沖幅度在60—80 V時(shí),燒毀時(shí)間幾乎不隨脈沖幅度變化而變化,損傷能量隨脈沖幅度上升而增加.脈沖幅度超過(guò)60 V時(shí),發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均發(fā)生了擊穿,此時(shí)BJT內(nèi)有兩個(gè)熱點(diǎn),一個(gè)位于發(fā)射結(jié)柱面區(qū),另一個(gè)位于靠近發(fā)射極一側(cè)的基極邊緣.盡管BJT功耗隨著脈沖幅度上升而增加,發(fā)射結(jié)消耗的功率卻幾乎不變,增加的功率幾乎全部被集電結(jié)消耗,因此燒毀時(shí)間幾乎不變,而損傷能量隨脈沖幅度上升而增加.

3)脈沖幅度在80—120 V時(shí),燒毀時(shí)間和損傷能量均隨脈沖幅度上升而減小.脈沖幅度超過(guò)80 V時(shí),靠近發(fā)射極一側(cè)的基極邊緣的溫度上升速度超過(guò)了發(fā)射結(jié)柱面區(qū)而率先達(dá)到Si的熔點(diǎn),此時(shí)燒毀時(shí)間主要由集電結(jié)消耗的功率決定.隨著脈沖幅度升高,集電結(jié)功耗增加,從而燒毀時(shí)間減小,發(fā)射結(jié)消耗能量減小,因此損傷能量也減小.

綜上所述,隨著脈沖幅度升高,燒毀時(shí)間逐漸減小,而損傷能量呈現(xiàn)減小-增大-減小的變化趨勢(shì),存在一個(gè)極小值和一個(gè)極大值.

圖6 BJT損傷能量和燒毀時(shí)間隨脈沖幅度的變化關(guān)系

4.4 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

文獻(xiàn)[17]對(duì)處于有源放大區(qū)的雙極晶體管分別從管子的3個(gè)電極進(jìn)行了高功率微波注入實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明,從基極注入微波導(dǎo)致晶體管B-E結(jié)損傷,如圖7所示的損傷BJT的SEM照片,在B-E結(jié)出現(xiàn)燒毀點(diǎn)(圖中圓圈內(nèi)).本文仿真結(jié)果表明,低幅度脈沖注入時(shí)發(fā)射結(jié)燒毀,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合.文獻(xiàn)[17]同時(shí)還指出,基極注入信號(hào)會(huì)影響到C-B結(jié),注入微波功率足夠大時(shí),C-B結(jié)也被擊穿.本文仿真結(jié)果表明,高幅度脈沖注入時(shí)集電結(jié)擊穿導(dǎo)致靠近發(fā)射極一側(cè)的基極邊緣燒毀,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.雖然本文仿真采用的電磁脈沖信號(hào)形式與實(shí)驗(yàn)采用的高功率微波信號(hào)形式有所不同,但是兩者對(duì)器件的損傷都屬于功率損傷,具有一定的相似性.仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較表明,本文建立的晶體管模型能夠很好地預(yù)測(cè)強(qiáng)電磁脈沖作用下BJT內(nèi)部燒毀點(diǎn)位置.

圖7 損傷BJT的SEM照片

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值仿真法對(duì)處于有源放大區(qū)的BJT在基極注入強(qiáng)電磁脈沖時(shí)的損傷效應(yīng)和機(jī)理進(jìn)行了研究.仿真結(jié)果表明,BJT燒毀點(diǎn)位置隨注入脈沖幅度變化而變化.低脈沖幅度下晶體管燒毀是由發(fā)射結(jié)反向雪崩擊穿所致,燒毀點(diǎn)位于發(fā)射結(jié)柱面區(qū);而在高脈沖幅度下,由基區(qū)-外延層-襯底組成的p-n-n+二極管發(fā)生二次擊穿導(dǎo)致靠近發(fā)射極一側(cè)的基極邊緣率先燒毀.燒毀時(shí)間隨脈沖幅度升高而減小,而損傷能量則隨之呈現(xiàn)減小-增大-減小的變化趨勢(shì),因而存在一個(gè)極小值和一個(gè)極大值.本文仿真得到的BJT燒毀點(diǎn)位置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合.本文的研究結(jié)果對(duì)于半導(dǎo)體器件的電磁脈沖損傷機(jī)理和抗損傷加固研究具有參考意義.

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