基极注入强电磁脉冲对双极晶体管的损伤效应和机理*

任兴荣 柴常春 马振洋 杨银堂 乔丽萍 史春蕾

1 引言

随着半导体器件尺寸不断缩小,半导体器件对外界电磁能量敏感度不断上升.空间电磁脉冲有可能通过孔、缝或天线耦合等多种途径进入电子系统内部,作用到敏感的半导体器件上,产生干扰或破坏,影响整个电子系统的正常工作,严重时会造成电子系统丧失功能.因此,研究半导体器件在电磁脉冲作用下的损伤效应具有重要意义.双极晶体管(BJT)作为一种典型的半导体器件,研究其在强电磁脉冲作用下的损伤效应和机理对器件和电路的抗电磁辐射加固具有重要意义.

在电子线路中,晶体管的共发射极接法应用最为广泛.在共发射极接法中,信号从基极输入,从集电极输出.因此,强电磁脉冲(EMP)最有可能从基极和集电极耦合进入电路,对其造成干扰或破坏.针对EMP从集电极注入的情况,国内外已有不少相关研究[1-11],而针对EMP从基极注入的情况报道却较少[12,13].文献[12]借助二维数值仿真研究了EMP分别从集电极、发射极和基极注入时晶体管的瞬态响应,通过分析BJT内部温度分布得到了基极注入最难烧毁的结论,但是并未计算出基极注入时的烧毁时间和损伤能量,因此该结论的正确性有待进一步验证.文献[13]同样采用二维数值仿真研究了EMP从基极注入时器件内部的热点位置以及烧毁所需脉冲能量和功率与脉宽之间的关系,通过比较EMP分别从基极和发射极注入时损伤能量的大小,得出了基极注入较发射极注入更容易烧毁的结论.文献[12]和[13]均是针对零偏压状态的BJT进行EMP注入研究,而在大多数应用场合下BJT处于有源放大区,因此有必要对处于有源放大区的BJT进行EMP注入的损伤效应和机理研究.

本文利用半导体工艺和器件仿真软件ISETCAD对处于有源放大区的BJT从基极注入EMP时的损伤效应进行了二维瞬态仿真,分析了BJT烧毁的物理机理和热点的形成机制,研究了BJT损伤能量与脉冲幅度之间的关系,并与实验结果进行了比较.

2 器件结构

仿真采用的BJT是典型平面工艺制造的Si双扩散外延晶体管,其二维结构示于图1,图中只画出了BJT的右半部分.图中E,B和C分别代表发射极、基极和集电极;N+,P,N-epi和N+-sub分别代表重掺杂n型发射区、p型基区、低掺杂n型外延层和重掺杂n型衬底.发射结结深xje=0.4µm,集电结结深xjc=0.8µm,外延层厚度Wc=1.2µm,衬底厚度为200µm,发射区横向宽度为7µm,基区横向宽度即沿x方向的总长度为20µm,集电结面积为400µm2.BJT纵向(沿y方向)杂质分布如图2所示.

图1 BJT二维结构示意图

图2 BJT纵向(沿y方向)杂质分布

3 数值模型

模拟EMP作用时BJT的烧毁过程需要考虑自热效应.计算由自热引起的器件内部的温度分布需要求解下面的热传导方程[14]：

其中,κ是热导率,c是晶格热容,EC和EV分别为导带底和价带顶能量,R为复合率.

为了精确模拟自热效应对器件性能的影响,还需要考虑器件内部温度分布对载流子输运过程的影响.本文采用热力学模型模拟载流子的输运过程.热力学模型对漂移-扩散模型在非等温情况下进行了扩展,考虑了晶格温度梯度对电流密度的贡献.考虑晶格温度梯度影响后的电子和空穴电流密度方程为：

其中Pn和Pp分别表示电子和空穴的绝对热电功率.

仿真时假定BJT的三个电极均为理想欧姆接触,同时假定BJT只能通过集电极与外部交换能量,且集电极与温度为300 K的理想热沉连接.器件初始温度为300 K,而当BJT局部温度达到Si熔点(1688 K)时即认为器件被烧毁.

4 仿真结果与分析

仿真电路如图3所示.考虑到反偏pn结较正偏更容易烧毁,对处于有源放大区的BJT,从基极注入上升时间为1 ns的负阶跃电压脉冲.

图3 仿真电路示意图

4.1 低幅度电压脉冲作用下BJT的烧毁

图4 示出了脉冲幅度为50 V时在烧毁时刻BJT内部的电场强度、电流密度和温度分布.BJT在有源放大状态下从基极注入负阶跃电压脉冲时,基极电位随脉冲电压上升而降低,发射结从正偏变成反偏,同时集电结反偏压增大,导致发射结和集电结空间电荷区宽度与电场强度均增大.由于集电结空间电荷区宽度大于发射结,因此发射结电场强度大于集电结电场强度,且由于结曲率效应,发射结边缘柱面区的电场强度大于平面区的电场强度,如图4(a)所示,电场峰值位于发射结边缘的柱面区.发射结边缘柱面区率先发生雪崩击穿,碰撞电离产生大量电子和空穴,电子从发射极流出,形成如图4(b)所示的从发射结边缘柱面区到发射极边缘的纵向电流通道;而空穴从基极流出,形成从本征基区到非本征基区的横向电流通道,如图4(b)所示.由于BJT内部电场强度和电流密度峰值均位于发射结边缘柱面区,所以该区域的功率密度Q=J·E远大于其他区域,导致该区域温度迅速上升而使BJT烧毁,如图4(c)所示.

4.2 高幅度电压脉冲作用下BJT的烧毁

图5示出了脉冲幅度为100 V时在烧毁时刻BJT内部的电场强度、电流密度和温度分布.脉冲幅度为100 V时,集电结反偏压超过其雪崩击穿电压,集电结发生雪崩击穿,雪崩倍增产生的电子被集电结电场扫向集电区形成集电极电流,而空穴则进入基区形成基极电流的一部分.随着电流密度的增加,当外延层中的电子浓度超过施主杂质浓度ND时,集电区出现了负的净空间电荷,空间电荷对电场的调制效应导致外延层内部电场减小,两侧边界处电场增大,在集电结的冶金结和外延层-衬底界面的n-n+结形成了两个电场强度峰,如图5(a)基极一侧的电场分布.集电结雪崩击穿导致电子向外延层注入,而n-n+结雪崩击穿导致空穴向外延层注入,形成了所谓的“双注入”,此时由基区-外延层-衬底组成的p-n-n+二极管发生了二次击穿[15,16].由于p-n-n+二极管的二次击穿形成了从集电极到基极的电流,使得靠近发射极的基极边缘电流密度超过了发射结柱面区电流密度,成为电流密度峰值,如图5(b)所示.由于在高幅度电压脉冲作用下发射结和集电结都发生了击穿,热量产生主要集中于发射结柱面区以及基极一侧的外延层.由于靠近发射极一侧的基极边缘电场强度和电流密度均较大,该区域温度迅速升高,甚至会超过发射结柱面区温度而率先达到Si熔点,从而导致BJT烧毁,如图5(c)所示.

4.3 损伤能量与脉冲幅度的关系

图6示出了BJT损伤能量和烧毁时间随脉冲幅度的变化关系,曲线大致分为三段.

图5 脉冲幅度为100 V时BJT在烧毁时刻的电场强度、电流密度和温度分布 (a)电场强度分布;(b)电流密度分布;(c)温度分布

1)脉冲幅度在30—60 V时,烧毁时间和损伤能量均随脉冲幅度上升而减小.脉冲幅度小于60 V时,只有发射结击穿,BJT只有一个热点,位于发射结柱面区.脉冲幅度越高,BJT功耗越大,热点温度上升越快,烧毁时间越短,热点向周围扩散的能量越少,因而损伤能量也越小.

2)脉冲幅度在60—80 V时,烧毁时间几乎不随脉冲幅度变化而变化,损伤能量随脉冲幅度上升而增加.脉冲幅度超过60 V时,发射结和集电结均发生了击穿,此时BJT内有两个热点,一个位于发射结柱面区,另一个位于靠近发射极一侧的基极边缘.尽管BJT功耗随着脉冲幅度上升而增加,发射结消耗的功率却几乎不变,增加的功率几乎全部被集电结消耗,因此烧毁时间几乎不变,而损伤能量随脉冲幅度上升而增加.

3)脉冲幅度在80—120 V时,烧毁时间和损伤能量均随脉冲幅度上升而减小.脉冲幅度超过80 V时,靠近发射极一侧的基极边缘的温度上升速度超过了发射结柱面区而率先达到Si的熔点,此时烧毁时间主要由集电结消耗的功率决定.随着脉冲幅度升高,集电结功耗增加,从而烧毁时间减小,发射结消耗能量减小,因此损伤能量也减小.

综上所述,随着脉冲幅度升高,烧毁时间逐渐减小,而损伤能量呈现减小-增大-减小的变化趋势,存在一个极小值和一个极大值.

图6 BJT损伤能量和烧毁时间随脉冲幅度的变化关系

4.4 与实验结果的对比

文献[17]对处于有源放大区的双极晶体管分别从管子的3个电极进行了高功率微波注入实验.结果表明,从基极注入微波导致晶体管B-E结损伤,如图7所示的损伤BJT的SEM照片,在B-E结出现烧毁点(图中圆圈内).本文仿真结果表明,低幅度脉冲注入时发射结烧毁,与实验结果符合.文献[17]同时还指出,基极注入信号会影响到C-B结,注入微波功率足够大时,C-B结也被击穿.本文仿真结果表明,高幅度脉冲注入时集电结击穿导致靠近发射极一侧的基极边缘烧毁,与实验结果一致.虽然本文仿真采用的电磁脉冲信号形式与实验采用的高功率微波信号形式有所不同,但是两者对器件的损伤都属于功率损伤,具有一定的相似性.仿真结果与实验结果的比较表明,本文建立的晶体管模型能够很好地预测强电磁脉冲作用下BJT内部烧毁点位置.

图7 损伤BJT的SEM照片

5 结论

本文采用数值仿真法对处于有源放大区的BJT在基极注入强电磁脉冲时的损伤效应和机理进行了研究.仿真结果表明,BJT烧毁点位置随注入脉冲幅度变化而变化.低脉冲幅度下晶体管烧毁是由发射结反向雪崩击穿所致,烧毁点位于发射结柱面区;而在高脉冲幅度下,由基区-外延层-衬底组成的p-n-n+二极管发生二次击穿导致靠近发射极一侧的基极边缘率先烧毁.烧毁时间随脉冲幅度升高而减小,而损伤能量则随之呈现减小-增大-减小的变化趋势,因而存在一个极小值和一个极大值.本文仿真得到的BJT烧毁点位置与实验结果相符合.本文的研究结果对于半导体器件的电磁脉冲损伤机理和抗损伤加固研究具有参考意义.

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