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(yīng)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(yīng)機理的重要原因，是HPM在半導體器件損傷區(qū)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(yīng)機理，介紹了HPM對半導體器件作用效應(yīng)及失效機理，獲取脈沖效應(yīng)損失的數(shù)據(jù)，探索損傷脈寬效應(yīng)理論模型，擬合損傷脈寬數(shù)據(jù)效應(yīng).

半導體器件；HPM；脈寬效應(yīng)

1 HPM對半導體器件作用效應(yīng)及失效機理

1.1 H PM產(chǎn)生的效應(yīng)

電器元件是H PM的組要燃燒故障，電氣子系統(tǒng)的功能會遭遇影響，并且其工作情況會出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)與干擾，經(jīng)過研究表明，各種電磁產(chǎn)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(yīng)

它是指在內(nèi)部的熱量高功率微波介質(zhì)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(fā)生熱效應(yīng)，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(nèi)就能夠引發(fā)易燃或是易爆的氣體產(chǎn)生爆炸；微電子器件令系統(tǒng)產(chǎn)生過熱的敏感電磁，致使局部出現(xiàn)熱損傷，電路發(fā)生故障直接燃燒或是爆炸庫存.

1.1.2 電磁輻射產(chǎn)生的作用

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

1.1.3 電產(chǎn)生的效應(yīng)

它是指金屬表面或金屬絲的高功率受到微波感應(yīng)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(chǎn)生MOS電路層分解或金屬絲，導致電路故障，也會使系統(tǒng)在損害的介質(zhì)之間出現(xiàn)具有擊穿感應(yīng)的敏感電路，進而影響其可靠性.

1.1.4 磁產(chǎn)生的效應(yīng)

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

1.1.5 生物產(chǎn)生的效應(yīng)

具體是指微波的高功率對生物體產(chǎn)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(zhuǎn)換為熱能，造成溫度被收集后迅速上升.微波出現(xiàn)的生物反應(yīng)，可以理解為熱效應(yīng).但是，因為吸收微波功率出現(xiàn)的異質(zhì)性與機體內(nèi)的熱處于平衡狀態(tài)，生物特別是人類和高等動物出現(xiàn)的復雜性，高功率微波出現(xiàn)的影響是極為復雜的.

1.2 半導體器件出現(xiàn)燒毀的機理

高功率微波系統(tǒng)主要依靠電子、電力系統(tǒng)，包括半導體的器件，電子類設(shè)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(tǒng)高速電子流通過微波產(chǎn)生的熱效應(yīng).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(qū)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(xiàn)很多失敗，幾乎每一個部分設(shè)備可能會失敗的物理機制.

2 脈沖效應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取

經(jīng)過實驗與理論模擬，半導體的H PM脈寬效應(yīng)損傷數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，使用的半導體理論進行模擬軟件m PNDID經(jīng)過計算，證明長脈沖損傷效應(yīng)較長，只能夠得到短脈沖的破壞效應(yīng)的模擬數(shù)據(jù).實驗使用了注入法，微波源為S波段.

損傷脈寬響應(yīng)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(chǎn)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(jīng)驗曲線趨于EMP的長脈沖經(jīng)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(shù).

圖1 Pf=K/(1-e-t f)長脈沖損傷數(shù)據(jù)擬合

圖2 Pf=At f-B長脈沖損傷數(shù)據(jù)擬合

利用模擬軟件，針對短脈沖損傷脈寬效應(yīng)實施理論模擬.Pn結(jié)是p-nn的結(jié)構(gòu)，節(jié)的兩側(cè)分進行歐姆接觸.其模型程度與IN4148類似；器件內(nèi)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(lián)電阻R，以及激勵源組成的零部件.硅半導體PN結(jié)溫度達到800K，pn結(jié)功能衰退，當溫度升至1680K，熔融硅材料，造成半導體器件出現(xiàn)損壞.圖3中的理論模擬數(shù)據(jù)點，我們能夠看到，800K和1680K的效果是基本相同的規(guī)律.

圖3

3 探索損傷脈寬效應(yīng)理論模型

基于現(xiàn)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(jié)果的差異如下，UH F晶體管長脈沖電磁脈沖和RF損傷的數(shù)據(jù)，是在短脈沖的經(jīng)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(jié)構(gòu)的PN1N4148結(jié)構(gòu)的H PM損傷脈寬效應(yīng)，理論模擬計算結(jié)果與EMP效應(yīng)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(shù)據(jù)和理論模型上面有短脈沖給定的數(shù)據(jù)也往往是EMP的脈沖經(jīng)驗公式的長度.

是什么原因?qū)е律鲜鯮F，H PM和EMP的損害的相似之處具有不同脈沖寬度的數(shù)據(jù)？一種觀點認為，轉(zhuǎn)換的波段高功率在微波脈沖半導體器件表現(xiàn)的非線性是相互作用的，充分發(fā)揮視頻頻帶內(nèi)的脈沖信號的作用，其轉(zhuǎn)換效率是低的效率對EMP產(chǎn)生的效用，但是微波頻率恒定的轉(zhuǎn)換效率是不會變化的.因此，當不同的微波脈沖對電子設(shè)備，脈沖寬度是在視頻脈沖微波脈沖和EMP脈沖對電子設(shè)備的轉(zhuǎn)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(jié)失敗問題，非線性效應(yīng)可以正常發(fā)揮，或至少非線性探測器效率能夠發(fā)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(wǎng)站的網(wǎng)站上的正負半周中，發(fā)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(xiàn)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(fā)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(jié)高-低的交界處，當功率較大時發(fā)生二次擊穿.高溫反向偏置的EMP集中在pn結(jié)，高-低結(jié)溫度集中在正向偏置的EMP的H PM激發(fā)溫度分布在高-低結(jié)，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(jīng)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(yīng)規(guī)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(chǎn)生的比熱容，V表示的是損傷部位出現(xiàn)的導率，同時損傷部位體現(xiàn)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(nèi)流過的熱量是熱流，假如熱全部聚集在損傷位置，此處應(yīng)為脈沖功率，即使損傷脈寬效應(yīng)能夠等效熱阻容電路，在特殊條件下，脈寬損傷經(jīng)驗公式是Pf=K/(1-e-t f).

4 擬合損傷脈寬數(shù)據(jù)效應(yīng)

圖3和圖4分別對長短脈沖效應(yīng)數(shù)據(jù)實施了擬合數(shù)據(jù)的結(jié)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(shù)據(jù)的效應(yīng)結(jié)果，能夠看出擬合之后的結(jié)果接近于效應(yīng)數(shù)據(jù)比，能夠?qū)?shù)據(jù)效應(yīng)的變化規(guī)律充分進行體現(xiàn).按照擬合的結(jié)果可以獲得以下的結(jié)論：半導體出現(xiàn)失效的主要原因是局部零件出現(xiàn)了缺陷區(qū)；基于熱量出現(xiàn)的沉積與擴散等效熱阻容電路的沖放現(xiàn)象就是失效半導體器件的脈沖效應(yīng)機理.

電磁脈沖感應(yīng)出現(xiàn)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(yīng)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(yīng).計算感應(yīng)電動勢的依據(jù)麥克斯韋方程組：

5 結(jié)束語

因為半導體之間出現(xiàn)了器件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的差異，及其復雜的熱根狀況，致使實驗中的數(shù)據(jù)及理論依據(jù)和模擬的結(jié)果在不同程度上出現(xiàn)了誤差.在以后究對H PM研究損傷的效應(yīng)中，可能出現(xiàn)同脈寬損傷效應(yīng)的經(jīng)驗于公式不符合的現(xiàn)象，這就需要我們在眾多研究脈寬效應(yīng)的理論基礎(chǔ)之上對損傷脈寬進行深入的探討，不對損傷脈寬效應(yīng)公式不斷完善.

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