双极晶体管电磁脉冲损伤机理研究

论文摘要

由于半导体器件大部分属于微功耗、微型结构器件,其在外界电应力的作用下可靠性下降,甚至完全失效。电磁脉冲（EMP）是产生外界过电应力的主要原因之一,其对器件的破坏性很大。随着集成度的提高和几何尺寸的缩小,半导体器件越来越容易受到EMP的影响而损伤,因此有必要从理论上研究EMP对半导体器件的破坏机理。本文利用器件仿真软件Medici,分析了硅基双极器件在强电磁脉冲作用下的损伤效应与机理。研究表明,双极晶体管的损伤部位在不同的电磁脉冲强度作用下有所不同:在低幅度注入电压下,发射区中心下面的n-n+处首先发生烧毁;在高幅度注入电压下,靠近发射区的基极电极边缘首先发生烧毁。同时,结合曲线拟合软件,分析了器件损伤能量、损伤功率、烧毁时间和注入电压之间的关系,获得了双极晶体管在强电磁脉冲作用下的损伤能量并非恒值的重要结论。本文的研究工作为半导体器件电磁脉冲损伤评估和防护加固的分析提供了一定的理论基础,也为下一步深入展开EMP效应的实验研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 论文的背景及研究意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.3 论文的研究方法和主要内容
• 第二章 半导体器件 EMP 损伤机理分析
• 2.1 器件EMP 损伤效应的物理机理
• 2.2 典型器件主要失效机理分析
• 2.2.1 结型半导体
• 2.2.2 MOS 结构
• 2.2.3 非导电封装盖板的钝化场效应结构
• 2.3 双极晶体管脉冲效应
• 2.3.1 Kirk 效应
• 2.3.2 电流集边效应
• 2.4 双极晶体管热分析
• 2.4.1 等效热路
• 2.4.2 热传导方程
• 2.4.3 晶格温度与时间之间的关系
• 2.5 常见半导体器件抗EMP 设计
• 2.6 本章总结
• 第三章 双极晶体管 EMP 瞬态响应
• 3.1 Medici 简介
• 3.1.1 基本功能及特点
• 3.1.2 计算方法的选择
• 3.1.3 模型与参数的选取
• 3.2 器件结构与杂质分布
• 3.3 二维仿真结果与分析
• 3.3.1 电场强度随时间的变化情况
• 3.3.2 电流密度随时间的变化情况
• 3.3.3 温度随时间的变化情况
• 3.3.4 仿真与实验结果对比
• 3.4 本章总结
• 第四章 损伤能量阈值分析
• 4.1 常用失效模型
• 4.1.1 单脉冲情况
• 4.1.2 重复脉冲情况
• 4.2 双极晶体管损伤能量
• 4.2.1 烧毁时间与注入电压之间的关系
• 4.2.2 损伤能量与注入电压之间的关系
• 4.2.3 损伤功率与脉宽之间的关系
• 4.3 仿真分析
• 4.4 本章总结
• 第五章 外部电路的影响
• 5.1 基极外接电阻的影响
• 5.2 基极外接电压源的影响
• 5.3 发射极外接电阻的影响
• 5.4 本章总结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果