文雷鳴，劉恩良，李 凱，周 彬，孟海東

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不同摻雜元素對SCB電爆特性的影響

文雷鳴1，劉恩良2，李 凱2，周 彬1，孟海東1

（1. 南京理工大學(xué)，江蘇 南京，210094；2. 航天科工六院41所，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010010）

為研究不同摻雜元素對半導(dǎo)體橋電爆特性的影響規(guī)律，利用電容放電發(fā)火系統(tǒng)，對硼摻雜SCB和磷摻雜SCB的臨界發(fā)火電壓、發(fā)火時間以及發(fā)火所消耗的能量進行了測試，并做了對比分析。結(jié)果表明：在尺寸相同、摻雜濃度相同的條件下，磷摻雜半導(dǎo)體橋比硼摻雜半導(dǎo)體橋臨界發(fā)火電壓低；相同發(fā)火電壓下，摻雜元素對發(fā)火時間的影響較小，并且磷摻雜半導(dǎo)體橋的發(fā)火能量比硼摻雜半導(dǎo)體橋的高，說明磷摻雜SCB性能優(yōu)于硼摻雜SCB。

半導(dǎo)體橋；摻雜元素；發(fā)火時間；發(fā)火能量

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國防現(xiàn)代化的建設(shè)，對現(xiàn)代火工品提出了小型化、高安全可靠性、高精確性與抗電磁輻射的要求，傳統(tǒng)的火工品性能已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代要求，新型火工技術(shù)如半導(dǎo)體橋火工技術(shù)、直列式起爆技術(shù)、MEMS火工技術(shù)[1]等得到快速發(fā)展。

半導(dǎo)體橋(Semiconductor Bridge，SCB)火工品以半導(dǎo)體橋芯片上的多晶硅薄膜作為發(fā)火元件[2-4]，其參數(shù)對SCB火工品的性能具有重要影響。毛國強[5]研究了橋形狀、摻雜濃度、長寬比、質(zhì)量對SCB電爆性能的影響，周彬等[6]研究了半導(dǎo)體橋上尖角、圓孔對其電爆性能的影響。但這些研究都是基于摻雜磷的n型半導(dǎo)體，本文通過設(shè)計不同的摻雜雜質(zhì)（磷與硼）及橋尺寸的SCB芯片，研究在相同摻雜濃度、相同尺寸的條件下，磷摻雜與硼摻雜對SCB電爆特性的影響，為SCB設(shè)計提供依據(jù)和支持。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

圖1為典型的重摻雜多晶硅半導(dǎo)體橋結(jié)構(gòu)簡圖，橋呈“H”形，由夾在硅基片與焊接區(qū)之間的重摻雜多晶硅構(gòu)成，摻雜濃度約為1019/cm3。將SCB芯片用環(huán)氧樹脂粘接在陶瓷塞凹槽內(nèi)，然后用超聲波鍵合工藝把鍵合絲焊接在芯片的焊接區(qū)上，與外腳線形成連接，制成SCB電極塞。本文的多晶硅薄膜采用兩種不同的摻雜元素：硼摻雜和磷摻雜，且摻雜濃度相同；橋形設(shè)計了兩種尺寸，一種為典型尺寸（100μm× 380μm）的SCB，一種是小尺寸（56μm×356μm）SCB，共4組樣品。

圖1 典型SCB結(jié)構(gòu)圖

1.2 實驗裝置與原理

實驗發(fā)火裝置由儲能電容、穩(wěn)壓電源、開關(guān)、數(shù)字示波器等組成，實驗原理如圖2所示。

圖2 實驗裝置示意圖

儲能電容為鉭電容，它具有漏電流小、內(nèi)阻小、放電快的特點。實驗電路連接完成后，調(diào)節(jié)開關(guān)使電源為儲能電容充電。充電至預(yù)定電壓后，調(diào)節(jié)開關(guān)，使SCB通電發(fā)火。采用數(shù)字示波器（OSC-Lecroy WavePro960，帶寬2GHz，最高采樣速度為100Ms/s）采集記錄發(fā)火過程中SCB兩端的電壓和電流信號，電壓探頭型號為Lecroy PP006；電流探頭型號為Lecroy CP150。典型電爆性能曲線如圖3所示。

圖3 典型電爆性能曲線

電壓曲線上第2個峰值所對應(yīng)的時間為爆發(fā)時間，電壓與電流的乘積為功率，由功率對時間積分得到發(fā)火能量，積分時間段為通電時刻至爆發(fā)時刻。

2 結(jié)果與討論

2.1 摻雜元素對典型尺寸SCB電爆性能的影響

在47μF電容放電條件下進行發(fā)火試驗，采用逼近法獲得典型尺寸硼摻雜SCB與磷摻雜SCB的臨界發(fā)火電壓，這里的臨界發(fā)火電壓指使SCB發(fā)生等離體發(fā)火的最小電壓，即圖3所示的電壓曲線出現(xiàn)的二次峰，數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 典型尺寸硼摻雜SCB臨界發(fā)火電壓

Tab.1 Critical ignition voltage of B-doped SCB with typical size

表2 典型尺寸磷摻雜SCB臨界發(fā)火電壓

Tab.2 Critical ignition voltage of P-doped SCB with typical size

由表1~2可知，典型尺寸的硼摻雜SCB的臨界發(fā)火電壓為21V，磷摻雜SCB的臨界發(fā)火電壓為13V，說明磷摻雜SCB更容易發(fā)火。自臨界發(fā)火電壓開始，進行SCB的發(fā)火實驗，實驗結(jié)果見表3~4。

表3 典型尺寸硼摻雜SCB發(fā)火時間與發(fā)火能量

Tab.3 Function time and firing energy of B-doped SCB with typical size

根據(jù)表3和表4，得到典型尺寸硼摻雜與磷摻雜SCB在47μF條件下，發(fā)火時間、發(fā)火能量均值隨充電電壓的變化關(guān)系，如圖4所示。從圖4曲線來看，隨著充電電壓的增加，發(fā)火時間呈指數(shù)下降，硼摻雜與磷摻雜SCB相差不大；發(fā)火能量都是先減小再增大，因為發(fā)火能量是功率對發(fā)火時間的積分，而在一定范圍內(nèi)隨著充電電壓增大，功率增大，但是發(fā)火時間卻下降地很快，使發(fā)火能量減小；當(dāng)充電電壓繼續(xù)升高，發(fā)火時間下降的幅度已很小，則功率仍然增大，從而使發(fā)火能量增加。不過，磷摻雜SCB比硼摻雜SCB發(fā)火能量明顯要高。

表4 典型尺寸磷摻雜SCB發(fā)火時間與發(fā)火能量

Tab.4 Function time and firing energy of P-doped SCB with typical size

圖4 典型尺寸SCB發(fā)火時間、發(fā)火能量與充電電壓關(guān)系

2.2 摻雜元素對小尺寸SCB電爆性能的影響

與典型尺寸SCB測試方法相同，采用逼近法求得小尺寸（56μm×356μm）硼摻雜與磷摻雜SCB的臨界發(fā)火電壓，結(jié)果見表5~6。

由表5~6可知，小尺寸的硼摻雜SCB的臨界發(fā)火電壓為17V，與典型尺寸的硼摻雜SCB相比下降了4V，磷摻雜SCB的臨界發(fā)火電壓為13V，相比之下磷摻雜SCB仍然更容易發(fā)火。

自臨界發(fā)火電壓開始，進行SCB的發(fā)火實驗，實驗結(jié)果見表7~8。根據(jù)表7~8，得到小尺寸硼摻雜與磷摻雜SCB在47μF條件下發(fā)火時間、發(fā)火能量均值與充電電壓的關(guān)系。變化趨勢與典型尺寸是基本一致的。

表5 小尺寸硼摻雜SCB臨界發(fā)火電壓

Tab.5 Critical ignition voltage of B-doped SCB with small size

表6 小尺寸磷摻雜SCB臨界發(fā)火電壓

Tab.6 Critical ignition voltage of P-doped SCB with small size

表7 小尺寸硼摻雜SCB發(fā)火時間與發(fā)火能量

Tab.7 Function time and firing energy of B-doped SCB with small size

表8 小尺寸磷摻雜SCB發(fā)火時間與發(fā)火能量

Tab.8 Function time and firing energy of P-doped SCB with small size

圖5 小尺寸SCB發(fā)火時間、發(fā)火能量與充電電壓關(guān)系

2.3 討論

由上述實驗結(jié)果可以看出，在相同尺寸相同摻雜濃度的條件下，磷摻雜SCB的臨界發(fā)火電壓要低于硼摻雜SCB，僅需較小的電壓即可使磷摻雜SCB發(fā)火，可靠性高；相同發(fā)火電壓時，磷摻雜與硼摻雜SCB的發(fā)火時間接近，且二者的發(fā)火時間隨電壓增高而逐漸縮短，最終趨于穩(wěn)定值，即瞬發(fā)度接近；相同發(fā)火電壓時，兩者的發(fā)火能量差別明顯，磷摻雜SCB發(fā)火能量比硼摻雜SCB的高，其抗靜電射頻意外發(fā)火的能力強，安全性高。磷摻雜SCB的性能明顯優(yōu)于硼摻雜SCB，這是由于兩種摻雜半導(dǎo)體的性質(zhì)決定的。

多晶硅中摻入磷元素，磷為施主雜質(zhì)，5個價電子中的4個與Si組成4個共價鍵，多出1個價電子，它不受共價鍵的束縛，僅被中心的磷原子正電荷吸引，將被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級，位于離導(dǎo)帶底很近的禁帶中，只需很小的能量就能使其掙脫束縛，成為導(dǎo)電電子在晶格中自由運動。類似的，硼原子只有3個價電子，在硅中為受主雜質(zhì)，能夠形成受硼離子束縛的空穴，將被受主雜質(zhì)所束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級，位于離價帶頂很近的禁帶中，只需很小的能量就能使其脫離束縛，成為可以導(dǎo)電的自由運動的空穴。

所以，磷摻雜的硅，導(dǎo)電的電子是在導(dǎo)帶中，而硼摻雜的硅導(dǎo)電空穴是在價帶中，空穴電流實際上是代表了共價健上的電子在價鍵間運動產(chǎn)生的電流，在相同條件下，電子與空穴的遷移率不相等，前者要大些。而半導(dǎo)體的電阻率與載流子濃度與遷移率成反比[7]，相同的摻雜濃度下載流子濃度相同，但遷移率磷摻雜比硼摻雜要大，使得磷摻雜SCB的正反饋效應(yīng)更強，功率更大，電爆性能要優(yōu)于硼摻雜SCB。

而不同尺寸間的比較表明，相對于典型尺寸，小尺寸SCB的臨界發(fā)火電壓、發(fā)火時間與發(fā)火能量都減少，因為尺寸變小則多晶硅質(zhì)量變少，使硅汽化所需能量變少，其它條件不變，自然使得電爆參數(shù)變小。

3 結(jié) 論

本研究設(shè)計了硼與磷兩種摻雜元素及典型尺寸和小尺寸的SCB，在電容發(fā)火實驗條件下，測試研究了摻雜元素對SCB電爆性能參數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明：當(dāng)摻雜物濃度和SCB尺寸相同時，摻雜元素對SCB的臨界發(fā)火電壓影響較大，磷摻雜SCB的臨界發(fā)火電壓低于硼摻雜SCB；相同發(fā)火電壓下，磷摻雜SCB和硼摻雜SCB的發(fā)火時間相差不多，摻雜元素對SCB發(fā)火時間影響較小，而磷摻雜SCB發(fā)火能量要比硼摻雜SCB的高。研究結(jié)果表明磷摻雜比硼摻雜SCB具有更好的可靠性和安全性。

[1] 葉迎華.火工品技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2007.

[2] Myung-II Park, Hyo-Tae. Comparison of plasma generation behaviors between a single crystal semiconductor bridge (single-SCB) and a poly-silicon semiconductor bridge (poly-SCB) [J]. Sensors and Actuators ,2004(115):104-108.

[3] 李勇,周彬,秦志春,等.火工品用復(fù)合半導(dǎo)體橋技術(shù)的研究與發(fā)展[J].含能材料,2013(03): 387-393.

[4] Bickes R W, Grubelich M C, Harris S M, et a.l An over view of semiconductor bridge, SCB, application at sandia national laboratories [ R ]. AIAA 95-2549, 1995.

[5] 毛國強.低發(fā)火能量、高安全性半導(dǎo)體橋的研究[D].南京:南京理工大學(xué), 2007.

[6] 周彬,秦志春,毛國強.半導(dǎo)體橋長寬比對其發(fā)火性能的影響[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009(02): 235-237.

[7] 劉恩科,朱秉升,羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2010.

Effect of Different Doping Elements on Electro-explosive Characteristics of SCB

WEN Lei-ming1，LIU En-liang2，LI Kai2，ZHOU Bin1，MENG Hai-dong1

(1.Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094；2. The Six Academy of China Aerospace Science & Industry Group 41，Huhehaote，010010)

By use of capacitor discharge ignition system, the effect of different doping elements on electro-explosive characteristics of semiconductor bridge (SCB) was studied, based on the tested critical ignition voltage, ignition time and firing energy of SCB. It can be concluded that the critical ignition voltage of P-doped SCB was lower than that of B-doped SCB, on the same ignition voltage condition, doping elements had less effect on the ignition time, and the firing energy of P-doped SCB was higher than that of B-doped SCB. The study indicated that the performance of P-doped SCB is better than that of B-doped SCB.

Semiconductor bridge；Doping elements；Ignition time；Firing energy

1003-1480（2014）01-0008-04

TJ450.4

A

2013-12-05

文雷鳴（1987-），男，在讀碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體橋點火相關(guān)研究。