半导体器件H PM损伤脉宽效应机理分析

高 深

（武汉理工大学 理学院，湖北 武汉 430070）

半导体器件H PM损伤脉宽效应机理分析

高 深

（武汉理工大学 理学院，湖北 武汉 430070）

半导体器件HPM损伤脉宽效应机理的重要原因，是HPM在半导体器件损伤区的沉积热量及周围进行扩散的热量.本文围绕半导体器件HPM损伤脉宽效应机理，介绍了HPM对半导体器件作用效应及失效机理，获取脉冲效应损失的数据，探索损伤脉宽效应理论模型，拟合损伤脉宽数据效应.

半导体器件；HPM；脉宽效应

1 HPM对半导体器件作用效应及失效机理

1.1 H PM产生的效应

电器元件是H PM的组要燃烧故障，电气子系统的功能会遭遇影响，并且其工作情况会出现翻转与干扰，经过研究表明，各种电磁产生危害的源头主要是利用能量进行耦合或是传导耦合的形式.它的行动和效果的机制归纳为以下几个方面：

1.1.1 热效应

它是指在内部的热量高功率微波介质导致温度上升造成的影响，效果能够燃烧装置，并造成击穿二次半导体热为主交界位置.静电通过放出的较高功率的电磁脉冲会发生热效应，完成量级属于纳秒或者是微妙，这个顺序也是绝热的大小.作为点火源，短时间内就能够引发易燃或是易爆的气体产生爆炸；微电子器件令系统产生过热的敏感电磁，致使局部出现热损伤，电路发生故障直接燃烧或是爆炸库存.

1.1.2 电磁辐射产生的作用

电磁产生的干扰或高功率的微波都是由信息技术造成的，进而出现功能故障或是失败.强电磁脉冲对设备的浪涌影响也可能导致硬盘损坏，或者只是电路设备产生恶化以及失败的参数性能，同时出现一个累积现象.

1.1.3 电产生的效应

它是指金属表面或金属丝的高功率受到微波感应电流或电压电子元件的影响.栅氧化物的强电场不仅使高功率微波产生MOS电路层分解或金属丝，导致电路故障，也会使系统在损害的介质之间出现具有击穿感应的敏感电路，进而影响其可靠性.

1.1.4 磁产生的效应

高功率形式的微博能够出现较强电流进而产生极强的磁场，致使电磁能量直接偶合于内部系统，干扰正常的电子设备工作.

1.1.5 生物产生的效应

具体是指微波的高功率对生物体产生一个互相的作用，在一般情况下，它的功能是对微波功率实施吸收.微波功率中的生物通过吸收转换为热能，造成温度被收集后迅速上升.微波出现的生物反应，可以理解为热效应.但是，因为吸收微波功率出现的异质性与机体内的热处于平衡状态，生物特别是人类和高等动物出现的复杂性，高功率微波出现的影响是极为复杂的.

1.2 半导体器件出现烧毁的机理

高功率微波系统主要依靠电子、电力系统，包括半导体的器件，电子类设备，如破坏性影响电信号.这时进入销毁燃烧敏感的半导体器件在电子系统高速电子流通过微波产生的热效应.半导体的交界点很小，它的冷却时间大概是1微秒.当脉冲高功率瞬间的微波造成电路中的高脉冲时，半导体器件不能及时驱散热量造成的故障或被烧毁.半导体器件的高功率微波辐射，会出现很多失败，几乎每一个部分设备可能会失败的物理机制.

2 脉冲效应的数据获取

经过实验与理论模拟，半导体的H PM脉宽效应损伤数据只获得长脉冲半导体器件的损坏，由于真正的部分限制影响了实验数据，使用的半导体理论进行模拟软件m PNDID经过计算，证明长脉冲损伤效应较长，只能够得到短脉冲的破坏效应的模拟数据.实验使用了注入法，微波源为S波段.

损伤脉宽响应曲线图1、2，图1与脉冲宽度的变化在一个临界点时，脉冲宽度比临界点值增加产生更大的伤害，破坏电力缓慢下降时，脉冲宽度临界点值随着破坏的力量迅速增加，可是从图2中看，事实上，经验曲线趋于EMP的长脉冲经验公式Pf=Kt f-1/2，公式中Pf表示损伤波动功率，t f表示损伤脉冲宽度，K表示损伤功率常数.

图1 Pf=K/(1-e-t f)长脉冲损伤数据拟合

图2 Pf=At f-B长脉冲损伤数据拟合

利用模拟软件，针对短脉冲损伤脉宽效应实施理论模拟.Pn结是p-nn的结构，节的两侧分进行欧姆接触.其模型程度与IN4148类似；器件内的初始化温度是300K.载波初始时，载流子的浓度和电位分布在平衡载流子浓度之间，由二极管旁路外路电容C串联电阻R，以及激励源组成的零部件.硅半导体PN结温度达到800K，pn结功能衰退，当温度升至1680K，熔融硅材料，造成半导体器件出现损坏.图3中的理论模拟数据点，我们能够看到，800K和1680K的效果是基本相同的规律.

图3

3 探索损伤脉宽效应理论模型

基于现有的资料上的EMP和射频，H PM的损伤作用的相似性和脉冲宽度结果的差异如下，UH F晶体管长脉冲电磁脉冲和RF损伤的数据，是在短脉冲的经验公式所需的射频脉冲电源基地，半导体器件理论仿真软件结构的PN1N4148结构的H PM损伤脉宽效应，理论模拟计算结果与EMP效应基本上是相同的，但需要的高功率微波功率基地，长脉冲实验数据和理论模型上面有短脉冲给定的数据也往往是EMP的脉冲经验公式的长度.

是什么原因导致上述RF，H PM和EMP的损害的相似之处具有不同脉冲宽度的数据？一种观点认为，转换的波段高功率在微波脉冲半导体器件表现的非线性是相互作用的，充分发挥视频频带内的脉冲信号的作用，其转换效率是低的效率对EMP产生的效用，但是微波频率恒定的转换效率是不会变化的.因此，当不同的微波脉冲对电子设备，脉冲宽度是在视频脉冲微波脉冲和EMP脉冲对电子设备的转换效率的情况下，有着相同的脉冲宽度的效果，但需要电源基地.这种观点有着周围的pn结失败问题，非线性效应可以正常发挥，或至少非线性探测器效率能够发生变化，如果是这样，这种看法也有一定的不合理.另一种观点是，RF或EMP的脉冲高功率微波脉冲在半导体器件和行动热沉积网站的网站上的正负半周中，发热部分是固定的.考虑到热扩散，RF或类似的高功率微波脉冲均匀加热时，EMP的脉冲是类似本地集中供热，都是相同的功率下相同的损伤需要的温度，却实现不同的时间热损伤，热积累和热扩散过程，这样既同一损害具有的脉冲宽度的效果.

图分别为1、2、3可以看出.发生的功率是相对较小的热二次击穿.温度更均匀分布之前的pn结高-低的交界处，当功率较大时发生二次击穿.高温反向偏置的EMP集中在pn结，高-低结温度集中在正向偏置的EMP的H PM激发温度分布在高-低结，反向偏置和正向偏置的电磁脉冲激励的综合值，这证明了H PM和EMP的异同的第二点.基于以上的分析，在脉宽的不同段，采用经验公式Pf=At f-B对半导体器件进行描述H PM损伤脉宽效应规律更加合理.

针对损伤体积的一定部位来说，必然存在着C热=ρcpV，其中ρ表示半导体材料的密度，cp表示材料产生的比热容，V表示的是损伤部位出现的导率，同时损伤部位体现为向外散热，势必会消耗热量，因此就有R热=L/KS，其中材料热导率是K，扩散热长度是L，截面积是S.单位时间内流过的热量是热流，假如热全部聚集在损伤位置，此处应为脉冲功率，即使损伤脉宽效应能够等效热阻容电路，在特殊条件下，脉宽损伤经验公式是Pf=K/(1-e-t f).

4 拟合损伤脉宽数据效应

图3和图4分别对长短脉冲效应数据实施了拟合数据的结果.可以看出，两者都非常好的进行了拟合；针对短脉冲，B为0.79-0.89之间变化；针对长脉冲，B为0.43.从长脉冲拟合数据的效应结果，能够看出拟合之后的结果接近于效应数据比，能够对数据效应的变化规律充分进行体现.按照拟合的结果可以获得以下的结论：半导体出现失效的主要原因是局部零件出现了缺陷区；基于热量出现的沉积与扩散等效热阻容电路的冲放现象就是失效半导体器件的脉冲效应机理.

电磁脉冲感应出现的电动势的计算，为了方便研究，我们采用高功率微波(H PM)的波形使用高斯脉冲来近似表征.

图4

E0是能够变化的，这时候应取E0=7.8×104V/m,幅度不同E0将感对不同幅度的电动势实施感应.计算感应电动势的依据麦克斯韦方程组：

5 结束语

因为半导体之间出现了器件结构产生的差异，及其复杂的热根状况，致使实验中的数据及理论依据和模拟的结果在不同程度上出现了误差.在以后究对H PM研究损伤的效应中，可能出现同脉宽损伤效应的经验于公式不符合的现象，这就需要我们在众多研究脉宽效应的理论基础之上对损伤脉宽进行深入的探讨，不对损伤脉宽效应公式不断完善.

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TN303

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1673-260X（2012）05-0015-03