半導體器件H PM損傷脈寬效應機理分析

高 深

（武漢理工大學 理學院，湖北 武漢 430070）

半導體器件H PM損傷脈寬效應機理分析

高 深

（武漢理工大學 理學院，湖北 武漢 430070）

半導體器件HPM損傷脈寬效應機理的重要原因，是HPM在半導體器件損傷區的沉積熱量及周圍進行擴散的熱量.本文圍繞半導體器件HPM損傷脈寬效應機理，介紹了HPM對半導體器件作用效應及失效機理，獲取脈沖效應損失的數據，探索損傷脈寬效應理論模型，擬合損傷脈寬數據效應.

半導體器件；HPM；脈寬效應

1 HPM對半導體器件作用效應及失效機理

1.1 H PM產生的效應

電器元件是H PM的組要燃燒故障，電氣子系統的功能會遭遇影響，并且其工作情況會出現翻轉與干擾，經過研究表明，各種電磁產生危害的源頭主要是利用能量進行耦合或是傳導耦合的形式.它的行動和效果的機制歸納為以下幾個方面：

1.1.1 熱效應

它是指在內部的熱量高功率微波介質導致溫度上升造成的影響，效果能夠燃燒裝置，并造成擊穿二次半導體熱為主交界位置.靜電通過放出的較高功率的電磁脈沖會發生熱效應，完成量級屬于納秒或者是微妙，這個順序也是絕熱的大小.作為點火源，短時間內就能夠引發易燃或是易爆的氣體產生爆炸；微電子器件令系統產生過熱的敏感電磁，致使局部出現熱損傷，電路發生故障直接燃燒或是爆炸庫存.

1.1.2 電磁輻射產生的作用

電磁產生的干擾或高功率的微波都是由信息技術造成的，進而出現功能故障或是失敗.強電磁脈沖對設備的浪涌影響也可能導致硬盤損壞，或者只是電路設備產生惡化以及失敗的參數性能，同時出現一個累積現象.

1.1.3 電產生的效應

它是指金屬表面或金屬絲的高功率受到微波感應電流或電壓電子元件的影響.柵氧化物的強電場不僅使高功率微波產生MOS電路層分解或金屬絲，導致電路故障，也會使系統在損害的介質之間出現具有擊穿感應的敏感電路，進而影響其可靠性.

1.1.4 磁產生的效應

高功率形式的微博能夠出現較強電流進而產生極強的磁場，致使電磁能量直接偶合于內部系統，干擾正常的電子設備工作.

1.1.5 生物產生的效應

具體是指微波的高功率對生物體產生一個互相的作用，在一般情況下，它的功能是對微波功率實施吸收.微波功率中的生物通過吸收轉換為熱能，造成溫度被收集后迅速上升.微波出現的生物反應，可以理解為熱效應.但是，因為吸收微波功率出現的異質性與機體內的熱處于平衡狀態，生物特別是人類和高等動物出現的復雜性，高功率微波出現的影響是極為復雜的.

1.2 半導體器件出現燒毀的機理

高功率微波系統主要依靠電子、電力系統，包括半導體的器件，電子類設備，如破壞性影響電信號.這時進入銷毀燃燒敏感的半導體器件在電子系統高速電子流通過微波產生的熱效應.半導體的交界點很小，它的冷卻時間大概是1微秒.當脈沖高功率瞬間的微波造成電路中的高脈沖時，半導體器件不能及時驅散熱量造成的故障或被燒毀.半導體器件的高功率微波輻射，會出現很多失敗，幾乎每一個部分設備可能會失敗的物理機制.

2 脈沖效應的數據獲取

經過實驗與理論模擬，半導體的H PM脈寬效應損傷數據只獲得長脈沖半導體器件的損壞，由于真正的部分限制影響了實驗數據，使用的半導體理論進行模擬軟件m PNDID經過計算，證明長脈沖損傷效應較長，只能夠得到短脈沖的破壞效應的模擬數據.實驗使用了注入法，微波源為S波段.

損傷脈寬響應曲線圖1、2，圖1與脈沖寬度的變化在一個臨界點時，脈沖寬度比臨界點值增加產生更大的傷害，破壞電力緩慢下降時，脈沖寬度臨界點值隨著破壞的力量迅速增加，可是從圖2中看，事實上，經驗曲線趨于EMP的長脈沖經驗公式Pf=Kt f-1/2，公式中Pf表示損傷波動功率，t f表示損傷脈沖寬度，K表示損傷功率常數.

圖1 Pf=K/(1-e-t f)長脈沖損傷數據擬合

圖2 Pf=At f-B長脈沖損傷數據擬合

利用模擬軟件，針對短脈沖損傷脈寬效應實施理論模擬.Pn結是p-nn的結構，節的兩側分進行歐姆接觸.其模型程度與IN4148類似；器件內的初始化溫度是300K.載波初始時，載流子的濃度和電位分布在平衡載流子濃度之間，由二極管旁路外路電容C串聯電阻R，以及激勵源組成的零部件.硅半導體PN結溫度達到800K，pn結功能衰退，當溫度升至1680K，熔融硅材料，造成半導體器件出現損壞.圖3中的理論模擬數據點，我們能夠看到，800K和1680K的效果是基本相同的規律.

圖3

3 探索損傷脈寬效應理論模型

基于現有的資料上的EMP和射頻，H PM的損傷作用的相似性和脈沖寬度結果的差異如下，UH F晶體管長脈沖電磁脈沖和RF損傷的數據，是在短脈沖的經驗公式所需的射頻脈沖電源基地，半導體器件理論仿真軟件結構的PN1N4148結構的H PM損傷脈寬效應，理論模擬計算結果與EMP效應基本上是相同的，但需要的高功率微波功率基地，長脈沖實驗數據和理論模型上面有短脈沖給定的數據也往往是EMP的脈沖經驗公式的長度.

是什么原因導致上述RF，H PM和EMP的損害的相似之處具有不同脈沖寬度的數據？一種觀點認為，轉換的波段高功率在微波脈沖半導體器件表現的非線性是相互作用的，充分發揮視頻頻帶內的脈沖信號的作用，其轉換效率是低的效率對EMP產生的效用，但是微波頻率恒定的轉換效率是不會變化的.因此，當不同的微波脈沖對電子設備，脈沖寬度是在視頻脈沖微波脈沖和EMP脈沖對電子設備的轉換效率的情況下，有著相同的脈沖寬度的效果，但需要電源基地.這種觀點有著周圍的pn結失敗問題，非線性效應可以正常發揮，或至少非線性探測器效率能夠發生變化，如果是這樣，這種看法也有一定的不合理.另一種觀點是，RF或EMP的脈沖高功率微波脈沖在半導體器件和行動熱沉積網站的網站上的正負半周中，發熱部分是固定的.考慮到熱擴散，RF或類似的高功率微波脈沖均勻加熱時，EMP的脈沖是類似本地集中供熱，都是相同的功率下相同的損傷需要的溫度，卻實現不同的時間熱損傷，熱積累和熱擴散過程，這樣既同一損害具有的脈沖寬度的效果.

圖分別為1、2、3可以看出.發生的功率是相對較小的熱二次擊穿.溫度更均勻分布之前的pn結高-低的交界處，當功率較大時發生二次擊穿.高溫反向偏置的EMP集中在pn結，高-低結溫度集中在正向偏置的EMP的H PM激發溫度分布在高-低結，反向偏置和正向偏置的電磁脈沖激勵的綜合值，這證明了H PM和EMP的異同的第二點.基于以上的分析，在脈寬的不同段，采用經驗公式Pf=At f-B對半導體器件進行描述H PM損傷脈寬效應規律更加合理.

針對損傷體積的一定部位來說，必然存在著C熱=ρcpV，其中ρ表示半導體材料的密度，cp表示材料產生的比熱容，V表示的是損傷部位出現的導率，同時損傷部位體現為向外散熱，勢必會消耗熱量，因此就有R熱=L/KS，其中材料熱導率是K，擴散熱長度是L，截面積是S.單位時間內流過的熱量是熱流，假如熱全部聚集在損傷位置，此處應為脈沖功率，即使損傷脈寬效應能夠等效熱阻容電路，在特殊條件下，脈寬損傷經驗公式是Pf=K/(1-e-t f).

4 擬合損傷脈寬數據效應

圖3和圖4分別對長短脈沖效應數據實施了擬合數據的結果.可以看出，兩者都非常好的進行了擬合；針對短脈沖，B為0.79-0.89之間變化；針對長脈沖，B為0.43.從長脈沖擬合數據的效應結果，能夠看出擬合之后的結果接近于效應數據比，能夠對數據效應的變化規律充分進行體現.按照擬合的結果可以獲得以下的結論：半導體出現失效的主要原因是局部零件出現了缺陷區；基于熱量出現的沉積與擴散等效熱阻容電路的沖放現象就是失效半導體器件的脈沖效應機理.

電磁脈沖感應出現的電動勢的計算，為了方便研究，我們采用高功率微波(H PM)的波形使用高斯脈沖來近似表征.

圖4

E0是能夠變化的，這時候應取E0=7.8×104V/m,幅度不同E0將感對不同幅度的電動勢實施感應.計算感應電動勢的依據麥克斯韋方程組：

5 結束語

因為半導體之間出現了器件結構產生的差異，及其復雜的熱根狀況，致使實驗中的數據及理論依據和模擬的結果在不同程度上出現了誤差.在以后究對H PM研究損傷的效應中，可能出現同脈寬損傷效應的經驗于公式不符合的現象，這就需要我們在眾多研究脈寬效應的理論基礎之上對損傷脈寬進行深入的探討，不對損傷脈寬效應公式不斷完善.

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1673-260X（2012）05-0015-03