探析双极晶体管电磁脉冲损伤机理

(整期优先)网络出版时间:2015-12-22
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探析双极晶体管电磁脉冲损伤机理

黄萃华

深圳深爱半导体股份有限公司518116

摘要:对于半导体器件来说,其一般都是属于微型结构、微功耗的电子器件,当遭受外界电应力的作用下,会对其可靠度带来极大的影响,甚至会造成失效现象。因此,本文主要结合BJT以及电磁脉冲的基本理论,对双极晶体管电磁脉冲损伤机理分析进行了深入的分析,并提出了相应的防护措施。

关键词:双极晶体管;电磁脉冲;BJT;EMP;损伤机理;防护措施

一、引言

BJT是双极结型晶体管(BipolarJunctionTransistor—BJT)的缩写,又常称为双载子晶体管。在BJT的工艺中,能够将两个PN结结合到一块,从而形成了BJT,对于BJT来说,PNP和NPN是两种主要的结构形式。电磁脉冲(EMP),可以产生外界电应力,可以对电子器件带来损害。EMP给电子带来的损害,在当前集成度更高以及设备尺寸的降低状况下,EMP所带来的损伤就会越大,因此,本文主要结合EMP对双极晶体管所带来的损伤机理进行了深入的分析。

二、双极晶体管电磁脉冲损伤机理分析

若双极晶体管(BJT)受到电磁脉冲(EMP)的作用下,就会有高电压在其上面产生作用,从而发生脉冲效应。在这种情况下,就会在内外部有些不同寻常的表现。在内部,双极晶体管,就会产生Kirk效应和横向电流流动效应,此时载流子的流动分布将发生异常;在外部,器件在脉冲电压的作用下,可以根据脉冲强度的差异,将BJT的被作用阶段分为热平衡、散热以及绝热等,在每个过程之中,双极性晶体管在损伤的功率、能量以烧毁时间方面都有着较大的差别。

(1)Kirk效应分析

BJT的基区宽度在大电流时发生展宽的现象,即称为基区展宽(扩展)效应,也称为Kirk效应。在发生大电流注入时,集电区的泊松方程修正为:

在上式中,代表层的杂质浓度,而则为流过势垒区的电子密度。

如果流过集电结势垒区的电子电流完全是电子的漂移电流,而且在势垒区的电子漂移速度达到了饱和速度,那么我们可以将上式改写成:

在改写的上式中,处于势垒区,为一个常数,可以将(2)式进行积分,从而得到下列结果:

在上式中,主要表示当位置处的电场强度。

通过积分后的(3)式可以看出,在势垒区中,其电场分布式线性,而且集电极电流密度和其斜率存在着一定的关系。

在大注入下,也会使得基区的宽度加宽,从而对电流的特征频率与放大系数带来一定的影响,而在该种背景下,双极晶体管器件的性能也会带来改变。

双极晶体管电流的放大系数相关公式如下所示:

明显从上式可以看出,基区宽度和电流放大系数存在着反比的关系,在大注入的背景下,基区宽度被扩宽,那么相应地,电流放大系数就会下降。

(5)式和(6)式分别展示了基区的渡越时间和特征频率:

从该式也可以看出,随着基区的宽度扩大,相应地基区的渡越时间也变大,在该种情况下,特征频率开始下降。对于在电磁脉冲注入下的Kirk效应来说,在该种现象下,电流特征频率和放大系数将会非常迅速的下降,从而带来双极晶体管的性能迅速损坏。而根据实践,为了有效避免该种现象的发生,最为关键的因素便是尽量使得临界电流密度尽量变大。

(2)电流集边效应分析

所谓电流集边效应是指双极晶体管工作在大电流下的情况下时,在BJT的发射结表面上就就会出现电流密度分布不均的现象,也就是说,在发射结边缘的位置有着较大的电流密度,而越靠近内部,则电流密度的程度则越低。

上图展示了NPN平面晶体管基极电流流动方向示意图,电流若想达到发射结就必须横向流经狭窄的基区。对于基区的材料来说,可以将其等效视之为具备相应的电阻率,而基区的宽度相对比较窄,可以用横向电阻的概念进行量化。当在横向电阻上通过了某种电流时,就会产生一定的横向压降,该横向压降是平行于集电结与发射结的。此时,如果产生了小电流,那么便可以不必考虑,但是如果存在着较大的电流时,就会产生较大的基极电流,而且上文所述的压降也将变的较大。而这种情况下对双极晶体管的影响便不可以忽略了。

通常情况下,如果在基极电极与发射结中央存在着较远距离的话,那么相应地也会存在着较大的电阻,而根据上文分析,在基区的压降也会较大。此时我们可以发现,基区真正的电压应该是外加电压与压降之间的差值,也即是说,在基区的边缘具有较大的电压,同时其电流密度相应地也越大。同理,我们可以分析出,在发射结中央部位,其电流密度相对是比较小的。一般情况下,发射结的面积都比较大,边缘相距中央位置有着较远的距离,当电流流经这段距离时,就会产生边缘电流小,中央电流大的明显现象,而这种电流集中在发射结边缘的现象,就被称之为电流集边效应。可以看出,对于电流集边效应来说,基区电阻是非常关键的因素,也可以成为其自偏压效应。

如果当强电磁脉冲在器件的集电极发生作用时,有学者研究发现,横向载流子运动产生的电流与正偏时的横向电流时相反的,在发射结的中心流向基极,该种情况下就会产生一个相反的横向电压降。如果产生的横向电压降达到了能够促使发射结中心正偏时,双极晶体管就会产生电流模式二次击穿。

三、强电磁脉冲的主要防护措施

当前,对于强电磁脉冲所采取的防护措施主要从以下几个方面展开:

(1)系统抗电磁脉冲能力设计

在很多的系统设备中,都存在大量的微电子器件,而其中某个电子器件的损坏都将会对整个系统的工作产生影响,因此,需要在系统设计初期便充分考虑到系统抗电磁脉冲能力设计。具体来说,一是模块化易损坏的部件。一般情况下,电磁脉冲所带来的电子器件损失并非致命的,而是造成系统的不稳定工作,可以通过将其模块化以便于更换;二是在系统软件的优化设计中考虑到防电磁脉冲的因素,比如,可以采用标志技术、容差技术或者数字滤波技术等等。

(2)屏蔽技术的利用

在屏蔽技术的利用中,选用合适的屏蔽体是关键所在,其可以有效削弱或阻挡电磁能的传输,从而有效达到电磁防护的目的。最常采用的加固方法便是使设备处于一个导电的法拉第笼内,在该种方式下,电磁很难达到损伤设备的目的。不过,设备往往都需要与外界进行通信或者获取电能,而这些进入点就为电磁脉冲瞬态过程提供了损坏的机会,因此,笔者建议,可以考虑采用光纤通信的方式,或者对进入箱体的导电通路加装电磁抑制器件的方法等等。

(3)滤波与接地处理

电感、电容、电阻等器件可以组成滤波器,从而有用频带之外的其余成分进行阻止,从而避免它们进入,完成滤波作用。另外,接地处理是将电子设备通过适当的方法和途径与大地连接,即将电源的工作接地、各种装置的金属外壳、铁管外皮和高频电子设备的信号都接到相同的接地装置上。这两种方式都可以有效抑制电磁脉冲对设备带来的影响。

四、结语:

综上所述,根据本文对双极晶体管电磁脉冲损伤机理的研究可以看出,双极晶体管在电磁脉冲下会带来严重的损伤,需要相关人员在对系统的设计时,充分考虑到电磁脉冲的防护措施,以进一步提升系统设备的可靠性能。

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