基極注入強電磁脈沖對雙極晶體管的損傷效應和機理*

任興榮 柴常春 馬振洋 楊銀堂 喬麗萍 史春蕾

1 引言

隨著半導體器件尺寸不斷縮小,半導體器件對外界電磁能量敏感度不斷上升.空間電磁脈沖有可能通過孔、縫或天線耦合等多種途徑進入電子系統內部,作用到敏感的半導體器件上,產生干擾或破壞,影響整個電子系統的正常工作,嚴重時會造成電子系統喪失功能.因此,研究半導體器件在電磁脈沖作用下的損傷效應具有重要意義.雙極晶體管(BJT)作為一種典型的半導體器件,研究其在強電磁脈沖作用下的損傷效應和機理對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,晶體管的共發射極接法應用最為廣泛.在共發射極接法中,信號從基極輸入,從集電極輸出.因此,強電磁脈沖(EMP)最有可能從基極和集電極耦合進入電路,對其造成干擾或破壞.針對EMP從集電極注入的情況,國內外已有不少相關研究[1-11],而針對EMP從基極注入的情況報道卻較少[12,13].文獻[12]借助二維數值仿真研究了EMP分別從集電極、發射極和基極注入時晶體管的瞬態響應,通過分析BJT內部溫度分布得到了基極注入最難燒毀的結論,但是并未計算出基極注入時的燒毀時間和損傷能量,因此該結論的正確性有待進一步驗證.文獻[13]同樣采用二維數值仿真研究了EMP從基極注入時器件內部的熱點位置以及燒毀所需脈沖能量和功率與脈寬之間的關系,通過比較EMP分別從基極和發射極注入時損傷能量的大小,得出了基極注入較發射極注入更容易燒毀的結論.文獻[12]和[13]均是針對零偏壓狀態的BJT進行EMP注入研究,而在大多數應用場合下BJT處于有源放大區,因此有必要對處于有源放大區的BJT進行EMP注入的損傷效應和機理研究.

本文利用半導體工藝和器件仿真軟件ISETCAD對處于有源放大區的BJT從基極注入EMP時的損傷效應進行了二維瞬態仿真,分析了BJT燒毀的物理機理和熱點的形成機制,研究了BJT損傷能量與脈沖幅度之間的關系,并與實驗結果進行了比較.

2 器件結構

仿真采用的BJT是典型平面工藝制造的Si雙擴散外延晶體管,其二維結構示于圖1,圖中只畫出了BJT的右半部分.圖中E,B和C分別代表發射極、基極和集電極;N+,P,N-epi和N+-sub分別代表重摻雜n型發射區、p型基區、低摻雜n型外延層和重摻雜n型襯底.發射結結深xje=0.4μm,集電結結深xjc=0.8μm,外延層厚度Wc=1.2μm,襯底厚度為200μm,發射區橫向寬度為7μm,基區橫向寬度即沿x方向的總長度為20μm,集電結面積為400μm2.BJT縱向(沿y方向)雜質分布如圖2所示.

圖1 BJT二維結構示意圖

圖2 BJT縱向(沿y方向)雜質分布

3 數值模型

模擬EMP作用時BJT的燒毀過程需要考慮自熱效應.計算由自熱引起的器件內部的溫度分布需要求解下面的熱傳導方程[14]：

其中,κ是熱導率,c是晶格熱容,EC和EV分別為導帶底和價帶頂能量,R為復合率.

為了精確模擬自熱效應對器件性能的影響,還需要考慮器件內部溫度分布對載流子輸運過程的影響.本文采用熱力學模型模擬載流子的輸運過程.熱力學模型對漂移-擴散模型在非等溫情況下進行了擴展,考慮了晶格溫度梯度對電流密度的貢獻.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熱電功率.

仿真時假定BJT的三個電極均為理想歐姆接觸,同時假定BJT只能通過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BJT局部溫度達到Si熔點(1688 K)時即認為器件被燒毀.

4 仿真結果與分析

仿真電路如圖3所示.考慮到反偏pn結較正偏更容易燒毀,對處于有源放大區的BJT,從基極注入上升時間為1 ns的負階躍電壓脈沖.

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時在燒毀時刻BJT內部的電場強度、電流密度和溫度分布.BJT在有源放大狀態下從基極注入負階躍電壓脈沖時,基極電位隨脈沖電壓上升而降低,發射結從正偏變成反偏,同時集電結反偏壓增大,導致發射結和集電結空間電荷區寬度與電場強度均增大.由于集電結空間電荷區寬度大于發射結,因此發射結電場強度大于集電結電場強度,且由于結曲率效應,發射結邊緣柱面區的電場強度大于平面區的電場強度,如圖4(a)所示,電場峰值位于發射結邊緣的柱面區.發射結邊緣柱面區率先發生雪崩擊穿,碰撞電離產生大量電子和空穴,電子從發射極流出,形成如圖4(b)所示的從發射結邊緣柱面區到發射極邊緣的縱向電流通道;而空穴從基極流出,形成從本征基區到非本征基區的橫向電流通道,如圖4(b)所示.由于BJT內部電場強度和電流密度峰值均位于發射結邊緣柱面區,所以該區域的功率密度Q=J·E遠大于其他區域,導致該區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時在燒毀時刻BJT內部的電場強度、電流密度和溫度分布.脈沖幅度為100 V時,集電結反偏壓超過其雪崩擊穿電壓,集電結發生雪崩擊穿,雪崩倍增產生的電子被集電結電場掃向集電區形成集電極電流,而空穴則進入基區形成基極電流的一部分.隨著電流密度的增加,當外延層中的電子濃度超過施主雜質濃度ND時,集電區出現了負的凈空間電荷,空間電荷對電場的調制效應導致外延層內部電場減小,兩側邊界處電場增大,在集電結的冶金結和外延層-襯底界面的n-n+結形成了兩個電場強度峰,如圖5(a)基極一側的電場分布.集電結雪崩擊穿導致電子向外延層注入,而n-n+結雪崩擊穿導致空穴向外延層注入,形成了所謂的“雙注入”,此時由基區-外延層-襯底組成的p-n-n+二極管發生了二次擊穿[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,使得靠近發射極的基極邊緣電流密度超過了發射結柱面區電流密度,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射結和集電結都發生了擊穿,熱量產生主要集中于發射結柱面區以及基極一側的外延層.由于靠近發射極一側的基極邊緣電場強度和電流密度均較大,該區域溫度迅速升高,甚至會超過發射結柱面區溫度而率先達到Si熔點,從而導致BJT燒毀,如圖5(c)所示.

4.3 損傷能量與脈沖幅度的關系

圖6示出了BJT損傷能量和燒毀時間隨脈沖幅度的變化關系,曲線大致分為三段.

圖5 脈沖幅度為100 V時BJT在燒毀時刻的電場強度、電流密度和溫度分布 (a)電場強度分布;(b)電流密度分布;(c)溫度分布

1)脈沖幅度在30—60 V時,燒毀時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,只有發射結擊穿,BJT只有一個熱點,位于發射結柱面區.脈沖幅度越高,BJT功耗越大,熱點溫度上升越快,燒毀時間越短,熱點向周圍擴散的能量越少,因而損傷能量也越小.

2)脈沖幅度在60—80 V時,燒毀時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60 V時,發射結和集電結均發生了擊穿,此時BJT內有兩個熱點,一個位于發射結柱面區,另一個位于靠近發射極一側的基極邊緣.盡管BJT功耗隨著脈沖幅度上升而增加,發射結消耗的功率卻幾乎不變,增加的功率幾乎全部被集電結消耗,因此燒毀時間幾乎不變,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,燒毀時間和損傷能量均隨脈沖幅度上升而減小.脈沖幅度超過80 V時,靠近發射極一側的基極邊緣的溫度上升速度超過了發射結柱面區而率先達到Si的熔點,此時燒毀時間主要由集電結消耗的功率決定.隨著脈沖幅度升高,集電結功耗增加,從而燒毀時間減小,發射結消耗能量減小,因此損傷能量也減小.

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

圖6 BJT損傷能量和燒毀時間隨脈沖幅度的變化關系

4.4 與實驗結果的對比

文獻[17]對處于有源放大區的雙極晶體管分別從管子的3個電極進行了高功率微波注入實驗.結果表明,從基極注入微波導致晶體管B-E結損傷,如圖7所示的損傷BJT的SEM照片,在B-E結出現燒毀點(圖中圓圈內).本文仿真結果表明,低幅度脈沖注入時發射結燒毀,與實驗結果符合.文獻[17]同時還指出,基極注入信號會影響到C-B結,注入微波功率足夠大時,C-B結也被擊穿.本文仿真結果表明,高幅度脈沖注入時集電結擊穿導致靠近發射極一側的基極邊緣燒毀,與實驗結果一致.雖然本文仿真采用的電磁脈沖信號形式與實驗采用的高功率微波信號形式有所不同,但是兩者對器件的損傷都屬于功率損傷,具有一定的相似性.仿真結果與實驗結果的比較表明,本文建立的晶體管模型能夠很好地預測強電磁脈沖作用下BJT內部燒毀點位置.

圖7 損傷BJT的SEM照片

5 結論

本文采用數值仿真法對處于有源放大區的BJT在基極注入強電磁脈沖時的損傷效應和機理進行了研究.仿真結果表明,BJT燒毀點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射結反向雪崩擊穿所致,燒毀點位于發射結柱面區;而在高脈沖幅度下,由基區-外延層-襯底組成的p-n-n+二極管發生二次擊穿導致靠近發射極一側的基極邊緣率先燒毀.燒毀時間隨脈沖幅度升高而減小,而損傷能量則隨之呈現減小-增大-減小的變化趨勢,因而存在一個極小值和一個極大值.本文仿真得到的BJT燒毀點位置與實驗結果相符合.本文的研究結果對于半導體器件的電磁脈沖損傷機理和抗損傷加固研究具有參考意義.

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