外加元件对电磁脉冲引起双极晶体管损伤的影响外文翻译资料

 2022-12-05 16:48:39

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本科生毕业论文(设计)

二Ｏ一八 年 五 月 一 日

外加元件对电磁脉冲引起双极晶体管损伤的影响

席晓文,柴常春,任兴荣,马振洋,王靖,杨银堂

教育部宽带半导体材料与器件教育部重点实验室，西安电子科技大学微电子学院，陕西西安，710071

摘要：研究了在电磁脉冲（EMP）注入双极晶体管（BJT）过程中，外加电阻和外加电压源的影响。研究表明，基极外部电阻Rb的增加使得烧毁器件的时间稍微减小，当注入电压的幅度相对较低时，基极处的外加电压源Vbe的增加可以有助于器件的损坏，并且当幅度足够高时导致器件出现PIN 结构损坏，而外加电阻Re的增加可以显着降低加在器件上的电压降，提高器件的耐用性。最后分析，外加电路元件对BJT损伤的影响是对器件的影响，使器件出现电流模式二次击穿的情况。

关键词：电磁脉冲；双极晶体管；电流模式二次击穿；外加元件

DOI：10.1088/1674-4926/31/7/074009 PACC：7280C EEACC：2560J

1 介绍

电磁脉冲（EMP）是引起外部电过载的主要原因之一，能够很大程度上影响器件的可靠性。有人早就做过了以在单个装置上的EMP引起的损坏的主题的研究[[1]]-[2][3][4][5][[6]]，为EMP评估、电子系统的改进和硬化提供了一定的理论依据。 但是，半导体器件并不单独处于电路中， EMP注入电路时，研究外部元件的影响反映了EMP对器件的影响是有用的。

Hane等人[[7]]研究了集电极外部电阻对EMP引起的器件损伤的影响。 当外部电阻器的值相对较低时，电流模式二次击穿（CSB）会以极短的延迟时间发生，并且当外部电阻器的值足够高时，热模式二次击穿（TSB）会发生很长的延迟时间。 根据目前的分布关系，陈曦[[8]]研究了EMP下器件损坏过程中相关元件的影响。

本文的目的是介绍元件对双极晶体管典型位置的影响以及EMP的影响。 基于电磁脉冲引起的单极双极晶体管的损伤机理，分析了双极晶体管的三种典型连接方式。 证明外部组件可以改变设备损坏的速度。

2 设备结构

分析的双极n -p-n-n 硅晶体管的几何结构如图1所示。由于对称性，只分析了半个发射极指。 这里B，C和E分别代表它的底座，收集器和发射器; P和N分别代表p型和n型硅区域; N 表示n型硅的重掺杂区。 参考参考文献[1-4]中的研究方法，作者将器件晶格温度达到1688K的硅熔点作为倦怠标准。 通过使用设备模拟器Medici和曲线拟合sob Origin，分析了在EMP下BJT烧毁时间的基极外部电阻Rb，基极电压源Vbe和发射极外部电阻Re的影响。

图1.二维n p-n-n 晶体管

3 结果和分析

3.1 单个设备的损坏效果

在强EMP下，单个器件将只在发射器注入时启动。在电压上升开始时，发射极之下的反向偏置PIN的电流仅流向基极并导致横向电位下降[[9]]。作者[[10]]分析了单个BJT在Ref的强EMP下的瞬态响应，图2描述了CSB发生前在y = 0.3 p，m时从发射极中心到发射极边沿的水平方向上的横向电压降。 当反向偏置PIN的电流已经充分积累以正向偏置发射器的一部分时，发生电流模式二次击穿，电流急剧增加并最终烧毁器件。 由于横向电压下降，发射极中心首先正向偏置，导致损伤首先出现在发射极中心下方的位置附近。

图2 横向电压沿着水平方向下降（直线y=0.3mu;m）[10]

3.2.外加电阻Rb对基极的影响

在图3中示出了具有基极处的外部电阻器Rb的仿真电路。双极晶体管在集电极上分别以50,55和60V的电压注入电压。图4描绘了以Rb作为参数的燃尽时间的变化。结果表明，随着Rb的增加，倦怠时间几乎没有下降。 Rb对燃尽时间的影响机制是Rb对使器件呈现CSB的条件的影响。当施加的电压不能使器件击穿时，所有的集电极电流都通过基极扩展电阻流到基极，基极的外部电阻Rb流到基极。建议当电流足够大以使发射极结正向偏置时，器件将呈现CSB。假设当结的电位下降达到0.6M时，发射极被向前偏置，以下表达式给出了基极扩展电阻r6，基极处的外部电阻Rb和CSB开始时的临界电流Ic之间的关系。

从方程式可以看出。（1）外部电阻Rb与临界电流Ic成反比。因此，Rb越小，Ic越小，烧尽时间越短。然而，基极外部电阻对燃尽时间的影响并不明显，因为流向基极的电流主要是反向偏置电流值非常小（图4）。类似的实验在参考文献中进行。对于每个Rb值，测量CSB开始时的临界电流Ic，如表1所示。可以看出，随着Rb的增加，临界电流Ic变小。 变化趋势与模拟分析一致。

图3 外加基极电阻Rb的电路图

图4 Rb燃尽时间的变化

表1.基极电阻与临界电流的关系

3.3.基极电压源的影响

在双极型晶体管的工作状态下，发射极结始终是正向偏置的。 研究EMP诱发器件损伤过程中正向发射极结的影响是很有必要的。 在图5中示出了具有基极电压源Vbe的仿真电路，其中Vbe的值分别设置为0V和0.8V。图6示出了具有基极电压源的集电极上的燃尽时间和注入电压之间的关系不同的Vbe值。可以看出，在相同的注入电压下，Vbe = 0.8 V时的燃尽时间短于Vbe = 0 V时的燃尽时间。 然而，随着注入电压幅度的增加，基极电压源的辅助作用逐渐减小（图6）。 原因在于不同注射水平下该装置的损伤机制是不同的。

图5 外加基极电压源的电路图

图6 具有基极电压源的集电极上的燃尽时间和注入电压之间的关系不同的Vbe值

图7分别描述了器件在50 V和100 V注入电压下的温度分布。 当注入电压的幅度较低时，器件的损坏来自CSB（图7（a），图7（b））。 基极电压源对燃尽时间有重要影响（图6），因为电子注入是器件发生CSB的必要条件。 但是，当注入电压的幅度足够高时，由于由基极 - 外延层 - 衬底构成的PIN结构的击穿导致在基极处的电压源的基极处的电压源对烧坏时间（图6） 在靠近发射极区域的基极边缘处有烧损斑点（图7（c），7（d））。

图7不同注入电压下的装置的温度分布。(a)50 V，Vbe = 0.8 V (b)50 V，Vbe = 0 V (c) 100 V ，Vbe = 0.8 V (d) 100 V，Vbe = 0 V。

3.4.发射极处的外部电阻Re的影响

为了稳定静态工作点，通常将一个电阻串联到发射极以获得反馈效应。 图8显示了在发射极处具有外部电阻Re的仿真电路。 当集电极注入脉冲电压时，Re相当于提高发射极的电位并降低器件上的电压降。 因此，Re越大，设备上的电压下降越小，并且耗尽时间越长。 在EMP下，双极晶体管很难在发射极处被Re损坏。 图9显示了Re对集电极上的50 V喷射脉冲电压的燃尽时间的影响。 可以看出，倦怠时间随着Re的增加而增加。 发射极外接电阻不仅可以稳定静态工作点，而且可以有效地防止电磁脉冲损伤。

图8 带有外部电阻的电路图

图9 Re对燃尽时间的影响

4 结论

对于n -p-n-n 双极型晶体管，EMP诱发的损伤机制主要是CSB。 发射极注入是器件发生CSB的必要条件。 Rb和Vbe可以加速器件达到条件并使器件容易损坏。 Re可以降低器件上脉冲电压的大小，并显着提高器件对EMP的耐用性。 因此，相信设备的外部组件可以改变由EMP引起的损坏的速度。

EMP电路中器件的损坏效应本质上是非常复杂的。 为了解基本元件在双极型晶体管典型位置的影响，本文分析了三种电子元件对EMP电路损坏效应对器件集电极的影响。 然而，在实践中，设备的每个端口都可能是EMP注入端口。 对于发射器注入的EMP，参考文献[8]分析了设备当前分布关系中外部元件的影响。 对于基础注入EMP，器件不会出现CSB，这种损伤机制还需要进一步研究。 与此同时，电路的研究应考虑电子元件之间的寄生效应，以使其更接近实际情况，因为整个电路实际上集成在芯片上。

参考文献

  1. [] 于伟,蔡新华,黄伟华,等.电磁脉冲对半导体器件的电流模式破坏.高功率激光与粒子束,1999,13(3):355. uarr;

  2. [] 周怀安,杜正伟,龚珂.双极性晶体管在强电磁脉冲作用下的瞬态响应.高功率激光与粒子束2005,17(12)：1861. uarr;

  3. [] 袁庆云,吴占成,杨杰,等.ESD和方波EMP对微电子器件的影响研究.高电压技术,2006,32（6）：47. uarr;

  4. [] 杨杰,刘尚和,袁庆云,等.微波低噪声硅晶体管的方波EMP损.高电压工程，2007,33（7）:111. uarr;

  5. [] Wunsch D C,Bell R. R. Determination of threshold failure levels of semiconductor diodes and transistors due to pulse voltage.IEEE Trans Nucl Sci,1968,15(6):244. uarr;

  6. [] Tasca D M. Pulse power failure modes in semiconductors. IEEE Trans Nucl Sci,1970,17(6):364. uarr;

  7. [] Hane K, Mogi M, Suzuki T. Influence of an external resistor on second breakdowns in epitaxial planar transistors. IEEE Trans Electron Devices, 1979. 26(2): 157. uarr;

  8. [] 陈曦,杜正伟,龚珂.EMP注入双极结晶体管时电路的影响.高功率激光和粒子束,2007,19(7)：1197. uarr;

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