王利萍 周東方 胡 濤 張國(guó)棟

(1.解放軍信息工程大學(xué) 鄭州 450001)(2.解放軍第三醫(yī)院 寶雞 721000)(3.73698部隊(duì) 福州 350001)

強(qiáng)電磁脈沖對(duì)雙極型晶體管的毀傷效應(yīng)研究

王利萍1,2周東方1胡 濤1張國(guó)棟3

(1.解放軍信息工程大學(xué) 鄭州 450001)(2.解放軍第三醫(yī)院 寶雞 721000)(3.73698部隊(duì) 福州 350001)

為了得到雙極型晶體管在高頻電磁波作用下的效應(yīng)機(jī)理,運(yùn)用改進(jìn)的二維半導(dǎo)體器件仿真程序,對(duì)雙極型晶體管在電磁脈沖作用下的瞬態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真分析,研究了高頻電磁波注入位置不同所造成的不同響應(yīng)特性,分析了干擾電磁波頻率以及電壓幅度對(duì)于器件失效和燒毀的影響,并從理論上解釋了熱斑形成原因和失效電壓拐點(diǎn)存在原理，為艦載高功率微波的發(fā)展應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

超寬帶脈沖; 低噪聲放大器; 毀傷效應(yīng); 脈沖參數(shù)

Class Number TN011.2

1 引言

隨著電子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用及近年來(lái)艦載高功率微波技術(shù)的深入研究與發(fā)展,雙極型晶體管(BJT)作為一種典型半導(dǎo)體器件,對(duì)它在強(qiáng)電磁脈沖作用下的損傷效應(yīng)研究[19],具有相當(dāng)重要的意義。這些文獻(xiàn)主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究獲取了BJT的效應(yīng)現(xiàn)象與閾值,沒(méi)有更深入地去揭示BJT的損傷效應(yīng)機(jī)理,并且以往在這類研究中對(duì)于具有多個(gè)pn結(jié)的整體晶體管多數(shù)只是用一維數(shù)值模擬來(lái)近似[10],二維瞬態(tài)數(shù)值研究則較少[11～12],這樣就無(wú)法觀察到高電流密度下的發(fā)射極電流密集效應(yīng)和Kirk效應(yīng),這恰恰是進(jìn)行燒毀效應(yīng)研究所要關(guān)注的情況,對(duì)于研究具有二維結(jié)構(gòu)的晶體管在強(qiáng)電磁脈沖作用下的燒毀效應(yīng)是十分重要的。本文利用自行編制的二維半導(dǎo)體器件仿真軟件對(duì)此進(jìn)行仿真研究和分析。

2 建立模型

器件行為一般都是由電子和空穴連續(xù)性方程、電子和空穴輸運(yùn)方程、泊松方程、熱流方程等一組非線性偏微分方程組來(lái)描述,并運(yùn)用漂移、擴(kuò)散理論,著重考慮高溫強(qiáng)場(chǎng)下遷移率、熱導(dǎo)率、產(chǎn)生率、復(fù)合率等參量。目前比較廣泛的是采用耦合與非耦合相結(jié)合的混合算法[13]對(duì)該組方程進(jìn)行數(shù)值求解。先驅(qū)公司對(duì)載流子進(jìn)行了合適的物理參數(shù)和模型選擇,然后利用時(shí)域有限差分法半導(dǎo)體基本方程進(jìn)行編程處理,產(chǎn)生了MEDICI軟件,仿真模擬半導(dǎo)體器件在復(fù)雜電磁環(huán)境下的瞬態(tài)響應(yīng),包括正常工作、失效直至燒毀的全過(guò)程,是半導(dǎo)體器件高功率微波效應(yīng)機(jī)理研究的理想仿真平臺(tái)。但是,目前由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存及計(jì)算速度的限制,半導(dǎo)體器件數(shù)值仿真MEDICI軟件僅應(yīng)用于分立元器件或包含少量元器件簡(jiǎn)單電路的效應(yīng)仿真,在進(jìn)行高功率微波作用于半導(dǎo)體器件仿真模擬時(shí)存在收斂速度慢、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn),論文將實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的并行程序引入到半導(dǎo)體器件的仿真計(jì)算中,利用并行算法實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體器件數(shù)值仿真的高效計(jì)算。仿真結(jié)果表明,實(shí)現(xiàn)并行之后,半導(dǎo)體器件仿真器的處理速度有了明顯的提高。

3 高頻電磁波激勵(lì)

圖1 雙極型晶體管

研究中把800K和1680K分別作為失效溫度和燒毀溫度,當(dāng)局部位置達(dá)到該溫度即可認(rèn)為器件發(fā)生失效或燒毀效應(yīng)[15]。數(shù)值計(jì)算采用的BJT結(jié)構(gòu)如圖1(a)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,ab=cd=2μm,其中摻雜分布如圖1(b)所示。

3.1 集電極注入

從集電極注入頻率為3GHz,幅度為40V的電磁波,器件內(nèi)5ns時(shí)的溫度分布如圖2所示,溫度的峰值點(diǎn)出現(xiàn)在發(fā)射極的邊緣,另外在基極附近以及發(fā)射極和集電極之間的區(qū)域內(nèi)也有較多熱量產(chǎn)生。

圖2 從集電極注入時(shí)器件內(nèi)溫度分布

圖3 從集電極注入時(shí)器件燒毀和失效時(shí)間與電壓幅度、頻率的關(guān)系

分別固定電磁波頻率和幅度不變,仿真計(jì)算不同電壓幅度、不同頻率的電磁波激勵(lì)下器件燒毀過(guò)程,如圖3所示。從圖3(a)可以看出,燒毀時(shí)間和失效時(shí)間都是隨著電壓幅度增加而下降的,其中燒毀時(shí)間的下降趨勢(shì)比較明顯,經(jīng)曲線擬合可以看出是反立方率下降的。從圖3(b)可以看出,燒毀時(shí)間隨著頻率增加基本呈線性趨勢(shì)上升,而失效時(shí)間變化不明顯,說(shuō)明電磁波頻率對(duì)失效時(shí)間的影響比較小。

3.2 發(fā)射極注入

從發(fā)射極注入頻率為3GHz,幅度為30V的電磁波,器件內(nèi)5ns時(shí)的溫度分布如圖4所示,溫度的峰值在發(fā)射極的邊緣上,另外,發(fā)射極和集電極之間的區(qū)域內(nèi)也有相當(dāng)熱量產(chǎn)生。

圖4 從發(fā)射極注入時(shí)器件內(nèi)溫度分布

圖5 從發(fā)射極注入時(shí)器件燒毀和失效時(shí)間與電壓幅度、頻率的關(guān)系

分別固定電磁波頻率和幅度不變,仿真計(jì)算不同電壓幅度、不同頻率的電磁波激勵(lì)下器件燒毀過(guò)程,如圖5所示。從圖5(a)可以看出,燒毀時(shí)間和失效時(shí)間都是隨著電壓而下降的,其中燒毀時(shí)間的下降趨勢(shì)比較明顯,經(jīng)曲線擬合可以看出是以負(fù)五次方的指數(shù)下降的。從圖5(b)中可以看出,燒毀時(shí)間隨著頻率的上升而基本呈線性上升的,電磁波頻率對(duì)失效時(shí)間的影響比較小。

3.3 基極注入

從基極注入頻率為3GHz,幅度為50V的電磁波,器件內(nèi)2ns時(shí)的溫度分布如圖6所示,溫度的峰值出現(xiàn)在基極邊緣,該點(diǎn)熱量產(chǎn)生集中,升溫特別迅速。

由圖7擬合得到的脈沖幅度和燒毀時(shí)間的關(guān)系,可以看到在75V和85V之間有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折電壓點(diǎn),小于此電壓點(diǎn),晶體管難以燒毀,大于此電壓點(diǎn),晶體管燒毀時(shí)間大大縮短。為了說(shuō)明其原因,以下對(duì)比了用75V和85V注入時(shí)晶體管內(nèi)部參數(shù)變化的不同。

圖6 從基極注入時(shí)器件內(nèi)溫度分布

圖7 脈沖幅度與燒毀時(shí)間擬合曲線

圖8對(duì)比了兩種電壓幅度的電壓脈沖注入,在波谷處晶體管器件內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)和電流密度矢量,從圖中可以看出:可以清楚看到,75V的反向注入在基極和集電極的通路上形成的是單峰電場(chǎng),基極和集電極之間的電流通道在75V反向偏置下并沒(méi)有打開(kāi),說(shuō)明沒(méi)有反向擊穿BC結(jié);而85V反向注入在基極和集電極通路上形成的是雙峰電場(chǎng),形成了較強(qiáng)的反向電流,說(shuō)明BC結(jié)被擊穿了,其中一峰在接近基極極板處,因而容易和基極電流共同形成功率體密度很強(qiáng)的區(qū)域,形成熱斑。

(a)75V,場(chǎng)強(qiáng)

(b)75V,電流密度矢量

(c)85V,場(chǎng)強(qiáng)

(d)85V,電流密度矢量圖8 75V和85V脈沖注入下,到達(dá)波谷時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)和電流密度矢量

為了進(jìn)一步觀察到以上結(jié)論,利用器件和電路聯(lián)合仿真器仿真得到y(tǒng)方向的電場(chǎng)強(qiáng)度如圖9所示和電流密度如圖10所示。圖9對(duì)比了y方向的電場(chǎng)強(qiáng)度,可以在集電極-基極通道上看到明顯的單峰和雙峰對(duì)比,而且擊穿使得接近發(fā)射極的基區(qū)電勢(shì)降低,因而在發(fā)射極和基極的y方向接觸面上形成了較強(qiáng)的反向電場(chǎng)。

(a)75V

(b)85V圖9 75V和85V兩種電壓脈沖注入到達(dá)波谷處時(shí)y方向電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

(a)75V

(b)85V圖10 75V和85V兩種電壓脈沖注入到達(dá)波谷時(shí)y方向電流密度對(duì)比

圖10對(duì)比了y方向的電流密度分布,75V反向注入時(shí),在波谷處由于沒(méi)有反向擊穿CB結(jié),在集電極和基極之間的通道上,電流密度很小;而此時(shí)EB結(jié)已經(jīng)方向擊穿,基極的少子電子在向發(fā)射極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,被電勢(shì)高的集電極所吸引而流向集電極,所以y向電流位置在C-B-E通道上。而85V反向注入時(shí),在波谷處反向擊穿了CB結(jié),所以在集電極和基極之間的通道上,出現(xiàn)了較強(qiáng)的反向電流。

通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn):對(duì)于高頻電磁波注入,集電極注入和發(fā)射極注入時(shí)溫度的峰值點(diǎn)都會(huì)出現(xiàn)在發(fā)射極的邊緣,兩種注入下燒毀時(shí)間和失效時(shí)間都是隨著電壓幅度而下降的。從失效機(jī)理上分析,從基極注入時(shí),反向偏置引起功率體密度的集中,而更容易導(dǎo)致燒毀[16],且電壓脈沖損傷晶體管的電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn),取決于是否反向擊穿集電結(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

文章借助改進(jìn)的二維半導(dǎo)體器件仿真程序,研究了雙極型晶體管各極注入強(qiáng)電磁脈沖的作用下,器件的熱斑形態(tài)及燒毀所需電壓幅度和頻率等問(wèn)題。從失效機(jī)理上分析,電壓脈沖從基極注入時(shí),反向偏置引起功率體密度的集中,而更容易導(dǎo)致燒毀,最后通過(guò)仿真解釋了電壓脈沖損傷晶體管電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)存在的原理,拐點(diǎn)前后失效機(jī)理的不同,也即是否反向擊穿集電結(jié),造成了失效時(shí)間差異突出。

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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

國(guó)家863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):61201056;61271104)資助。

王利萍,女,博士研究生,研究方向:電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算和電磁脈沖效應(yīng)。周東方,男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:電磁場(chǎng)與微波技術(shù)、電磁脈沖效應(yīng)。胡濤,男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:電磁場(chǎng)與微波技術(shù)、高功率微波效應(yīng)。張國(guó)棟,男,博士,工程師,研究方向:微波功率模塊。

TN011.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.033