强电磁脉冲对双极型晶体管的毁伤效应研究

王利萍 周东方 胡 涛 张国栋

(1.解放军信息工程大学 郑州 450001)(2.解放军第三医院 宝鸡 721000)(3.73698部队 福州 350001)

强电磁脉冲对双极型晶体管的毁伤效应研究

王利萍1,2周东方1胡 涛1张国栋3

(1.解放军信息工程大学 郑州 450001)(2.解放军第三医院 宝鸡 721000)(3.73698部队 福州 350001)

为了得到双极型晶体管在高频电磁波作用下的效应机理,运用改进的二维半导体器件仿真程序,对双极型晶体管在电磁脉冲作用下的瞬态响应特性进行了仿真分析,研究了高频电磁波注入位置不同所造成的不同响应特性,分析了干扰电磁波频率以及电压幅度对于器件失效和烧毁的影响,并从理论上解释了热斑形成原因和失效电压拐点存在原理，为舰载高功率微波的发展应用提供一定的参考价值。

超宽带脉冲; 低噪声放大器; 毁伤效应; 脉冲参数

Class Number TN011.2

1 引言

随着电子系统的广泛应用及近年来舰载高功率微波技术的深入研究与发展,双极型晶体管(BJT)作为一种典型半导体器件,对它在强电磁脉冲作用下的损伤效应研究[19],具有相当重要的意义。这些文献主要是通过实验研究获取了BJT的效应现象与阈值,没有更深入地去揭示BJT的损伤效应机理,并且以往在这类研究中对于具有多个pn结的整体晶体管多数只是用一维数值模拟来近似[10],二维瞬态数值研究则较少[11～12],这样就无法观察到高电流密度下的发射极电流密集效应和Kirk效应,这恰恰是进行烧毁效应研究所要关注的情况,对于研究具有二维结构的晶体管在强电磁脉冲作用下的烧毁效应是十分重要的。本文利用自行编制的二维半导体器件仿真软件对此进行仿真研究和分析。

2 建立模型

器件行为一般都是由电子和空穴连续性方程、电子和空穴输运方程、泊松方程、热流方程等一组非线性偏微分方程组来描述,并运用漂移、扩散理论,着重考虑高温强场下迁移率、热导率、产生率、复合率等参量。目前比较广泛的是采用耦合与非耦合相结合的混合算法[13]对该组方程进行数值求解。先驱公司对载流子进行了合适的物理参数和模型选择,然后利用时域有限差分法半导体基本方程进行编程处理,产生了MEDICI软件,仿真模拟半导体器件在复杂电磁环境下的瞬态响应,包括正常工作、失效直至烧毁的全过程,是半导体器件高功率微波效应机理研究的理想仿真平台。但是,目前由于计算机内存及计算速度的限制,半导体器件数值仿真MEDICI软件仅应用于分立元器件或包含少量元器件简单电路的效应仿真,在进行高功率微波作用于半导体器件仿真模拟时存在收敛速度慢、计算时间长的缺点,论文将实验室研发的并行程序引入到半导体器件的仿真计算中,利用并行算法实现了半导体器件数值仿真的高效计算。仿真结果表明,实现并行之后,半导体器件仿真器的处理速度有了明显的提高。

3 高频电磁波激励

图1 双极型晶体管

研究中把800K和1680K分别作为失效温度和烧毁温度,当局部位置达到该温度即可认为器件发生失效或烧毁效应[15]。数值计算采用的BJT结构如图1(a)所示。其中B、C、E分别表示基极、集电极和发射极,P、N分别为p型掺杂和n型掺杂,N+表示n型重掺杂,ad=9μm,de=3.7μm,ab=cd=2μm,其中掺杂分布如图1(b)所示。

3.1 集电极注入

从集电极注入频率为3GHz,幅度为40V的电磁波,器件内5ns时的温度分布如图2所示,温度的峰值点出现在发射极的边缘,另外在基极附近以及发射极和集电极之间的区域内也有较多热量产生。

图2 从集电极注入时器件内温度分布

图3 从集电极注入时器件烧毁和失效时间与电压幅度、频率的关系

分别固定电磁波频率和幅度不变,仿真计算不同电压幅度、不同频率的电磁波激励下器件烧毁过程,如图3所示。从图3(a)可以看出,烧毁时间和失效时间都是随着电压幅度增加而下降的,其中烧毁时间的下降趋势比较明显,经曲线拟合可以看出是反立方率下降的。从图3(b)可以看出,烧毁时间随着频率增加基本呈线性趋势上升,而失效时间变化不明显,说明电磁波频率对失效时间的影响比较小。

3.2 发射极注入

从发射极注入频率为3GHz,幅度为30V的电磁波,器件内5ns时的温度分布如图4所示,温度的峰值在发射极的边缘上,另外,发射极和集电极之间的区域内也有相当热量产生。

图4 从发射极注入时器件内温度分布

图5 从发射极注入时器件烧毁和失效时间与电压幅度、频率的关系

分别固定电磁波频率和幅度不变,仿真计算不同电压幅度、不同频率的电磁波激励下器件烧毁过程,如图5所示。从图5(a)可以看出,烧毁时间和失效时间都是随着电压而下降的,其中烧毁时间的下降趋势比较明显,经曲线拟合可以看出是以负五次方的指数下降的。从图5(b)中可以看出,烧毁时间随着频率的上升而基本呈线性上升的,电磁波频率对失效时间的影响比较小。

3.3 基极注入

从基极注入频率为3GHz,幅度为50V的电磁波,器件内2ns时的温度分布如图6所示,温度的峰值出现在基极边缘,该点热量产生集中,升温特别迅速。

由图7拟合得到的脉冲幅度和烧毁时间的关系,可以看到在75V和85V之间有一个明显的转折电压点,小于此电压点,晶体管难以烧毁,大于此电压点,晶体管烧毁时间大大缩短。为了说明其原因,以下对比了用75V和85V注入时晶体管内部参数变化的不同。

图6 从基极注入时器件内温度分布

图7 脉冲幅度与烧毁时间拟合曲线

图8对比了两种电压幅度的电压脉冲注入,在波谷处晶体管器件内部场强和电流密度矢量,从图中可以看出:可以清楚看到,75V的反向注入在基极和集电极的通路上形成的是单峰电场,基极和集电极之间的电流通道在75V反向偏置下并没有打开,说明没有反向击穿BC结;而85V反向注入在基极和集电极通路上形成的是双峰电场,形成了较强的反向电流,说明BC结被击穿了,其中一峰在接近基极极板处,因而容易和基极电流共同形成功率体密度很强的区域,形成热斑。

(a)75V,场强

(b)75V,电流密度矢量

(c)85V,场强

(d)85V,电流密度矢量图8 75V和85V脉冲注入下,到达波谷时的场强和电流密度矢量

为了进一步观察到以上结论,利用器件和电路联合仿真器仿真得到y方向的电场强度如图9所示和电流密度如图10所示。图9对比了y方向的电场强度,可以在集电极-基极通道上看到明显的单峰和双峰对比,而且击穿使得接近发射极的基区电势降低,因而在发射极和基极的y方向接触面上形成了较强的反向电场。

(a)75V

(b)85V图9 75V和85V两种电压脉冲注入到达波谷处时y方向电场强度对比

(a)75V

(b)85V图10 75V和85V两种电压脉冲注入到达波谷时y方向电流密度对比

图10对比了y方向的电流密度分布,75V反向注入时,在波谷处由于没有反向击穿CB结,在集电极和基极之间的通道上,电流密度很小;而此时EB结已经方向击穿,基极的少子电子在向发射极运动的过程中,被电势高的集电极所吸引而流向集电极,所以y向电流位置在C-B-E通道上。而85V反向注入时,在波谷处反向击穿了CB结,所以在集电极和基极之间的通道上,出现了较强的反向电流。

通过仿真分析发现:对于高频电磁波注入,集电极注入和发射极注入时温度的峰值点都会出现在发射极的边缘,两种注入下烧毁时间和失效时间都是随着电压幅度而下降的。从失效机理上分析,从基极注入时,反向偏置引起功率体密度的集中,而更容易导致烧毁[16],且电压脉冲损伤晶体管的电压转折点,取决于是否反向击穿集电结。

4 结语

文章借助改进的二维半导体器件仿真程序,研究了双极型晶体管各极注入强电磁脉冲的作用下,器件的热斑形态及烧毁所需电压幅度和频率等问题。从失效机理上分析,电压脉冲从基极注入时,反向偏置引起功率体密度的集中,而更容易导致烧毁,最后通过仿真解释了电压脉冲损伤晶体管电压转折点存在的原理,拐点前后失效机理的不同,也即是否反向击穿集电结,造成了失效时间差异突出。

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Damage Effect of High Frequency Electromagnetic Wave on Bipolar Transistor

WANG Liping1,2ZHOU Dongfang1HU Tao1ZHANG Guodong3

(1. PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450001) (2. The Third Hospital of PLA, Baoji 721000)(3. No. 73698 Troops of PLA, Fuzhou 350001)

In order to obtain the effect mechanism of bipolar transistor under the action of electromagnetic pulse, the transient response characteristics of are simulated by the improved two-dimensional semiconductor device simulation program. The different response characteristics caused by different electromagnetic injection positions, and the influence of electromagnetic wave frequency and voltage amplitude on the failure and burnout of the device was analyzed. The reason of the inflexion point of the voltage failure was explained theoretically. This research can provide some reference value for the development and application of carrier high power microwave.

ultra-wideband pulses, low-noise amplifier, damage effect, pulse parameters

2016年8月11日,

2016年9月25日

国家863高技术发展计划项目;国家自然科学基金项目(编号:61201056;61271104)资助。

王利萍,女,博士研究生,研究方向:电磁场数值计算和电磁脉冲效应。周东方,男,博士,教授,博士生导师,研究方向:电磁场与微波技术、电磁脉冲效应。胡涛,男,博士,副教授,硕士生导师,研究方向:电磁场与微波技术、高功率微波效应。张国栋,男,博士,工程师,研究方向:微波功率模块。

TN011.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.033