典型半導(dǎo)體器件的高功率微波效應(yīng)研究.pdf

1、高功率微波(High Power Microwave,HPM)是極具應(yīng)用前景的新概念技術(shù)。由于其固有的物理特性,HPM能夠干擾、壓制、摧毀電子信息系統(tǒng)。HPM對(duì)電子信息系統(tǒng)的作用,根本原因是 HPM對(duì)電子器件(特別是半導(dǎo)體器件)的作用。本文在研究 HPM非線性效應(yīng)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了雙極型晶體管和 MOS晶體管的非線性損傷效應(yīng),對(duì)半導(dǎo)體器件的抗 HPM加固設(shè)計(jì)具有重要意義。
　　系統(tǒng)研究了半導(dǎo)體器件的 HPM非線性效應(yīng),指出非線性

2、效應(yīng)是 HPM能量耦合到半導(dǎo)體器件內(nèi)部并產(chǎn)生破壞效應(yīng)的最根本機(jī)制,半導(dǎo)體器件在不同 HPM功率作用下表現(xiàn)出不同程度的非線性效應(yīng):小功率時(shí)為非線性檢波、非線性變頻和非線性壓縮效應(yīng),大功率時(shí)為非線性損傷效應(yīng);非線性檢波、非線性變頻是高頻 HPM能量轉(zhuǎn)換成低頻能量對(duì)低頻電子系統(tǒng)發(fā)生干擾、擾亂效應(yīng)的主要機(jī)制,獲得了非線性檢波/變頻電壓隨 HPM功率增大而增大但增長(zhǎng)速率變慢的效應(yīng)規(guī)律,得出檢波/變頻電壓與微波功率的經(jīng)驗(yàn)公式,獲得了檢波效率隨帶外微

3、波頻率增大而減小的效應(yīng)規(guī)律;非線性壓縮效應(yīng)是微波器件 HPM干擾效應(yīng)的主要機(jī)制,獲得了微波器件增益損耗隨 HPM功率增大而增大的效應(yīng)規(guī)律及經(jīng)驗(yàn)公式;非線性損傷效應(yīng)是造成半導(dǎo)體 HPM損傷效應(yīng)主要機(jī)制,實(shí)驗(yàn)與仿真研究發(fā)現(xiàn),半導(dǎo)體內(nèi)部不可避免存在缺陷,缺陷使半導(dǎo)體 PN結(jié)或氧化層局部 HPM擊穿損傷,在 PN結(jié)或氧化層內(nèi)部形成低電阻通道,對(duì)正常信號(hào)旁路分流,使半導(dǎo)體器件損傷降級(jí);半導(dǎo)體損傷電流、損傷耗散功率、損傷程度隨 HPM功率增大而增大

4、,損傷電阻隨 HPM功率增大而減小,得出了相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式。
　　深入研究了雙極型晶體管的 HPM效應(yīng)。通過(guò)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和失效分析,揭示了發(fā)射結(jié)損傷是 HPM作用致雙極型晶體管失效的基本機(jī)制。建立了 HPM作用于雙極型晶體管的物理過(guò)程與模型,并通過(guò)器件仿真分析確定了 HPM引起器件失效的主要原因是HPM產(chǎn)生的感應(yīng)電壓脈沖引起雙極型器件基區(qū)燒毀形成熔絲和產(chǎn)生大量缺陷?；鶇^(qū)燒毀面積與缺陷數(shù)量隨高功率微波作用的時(shí)間與功率增大而增大,不同的燒毀面

5、積引起失效器件的直流特性將發(fā)生變化。器件仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　　深入研究了 MOS晶體管的 HPM效應(yīng)。通過(guò)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和失效分析,揭示了柵氧化層擊穿及溝道穿通作用致 MOS晶體管失效的基本機(jī)制。建立了 nMOSFET在HPM作用下的二維電熱模型,獲得了器件內(nèi)部電場(chǎng)、電流密度以及溫度對(duì) HPM作用的響應(yīng)規(guī)律,分析了源-襯底 PN結(jié)、漏-襯底 PN結(jié)附近器件內(nèi)部溫度分布隨HPM作用時(shí)間的變化關(guān)系。結(jié)果表明 nMOSFET器件漏極注

6、入 HPM時(shí)器件內(nèi)部峰值溫度出現(xiàn)在漏端 PN結(jié)附近,且具有累積效應(yīng)。當(dāng)溫度達(dá)到硅材料硅熔點(diǎn),器件內(nèi)部漏端 PN結(jié)表面附近形成熔絲,器件損毀。該機(jī)理分析得到的器件特性變化與器件 HPM損傷實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果相吻合。
　　研究了集成電路的 HPM效應(yīng)。通過(guò)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、參數(shù)測(cè)試和失效分析,揭示了片內(nèi)晶體管 PN結(jié)擊穿致集成電路失效的基本機(jī)制。效應(yīng)后參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明,在哪個(gè)模塊的引腳注入微波,則這個(gè)模塊的相應(yīng)參數(shù)出現(xiàn)異常,即此模塊出現(xiàn)損傷。失效