典型半導體器件的高功率微波效應研究.pdf

1、高功率微波(High Power Microwave,HPM)是極具應用前景的新概念技術。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對電子信息系統(tǒng)的作用,根本原因是 HPM對電子器件(特別是半導體器件)的作用。本文在研究 HPM非線性效應的基礎上,重點研究了雙極型晶體管和 MOS晶體管的非線性損傷效應,對半導體器件的抗 HPM加固設計具有重要意義。
　　系統(tǒng)研究了半導體器件的 HPM非線性效應,指出非線性

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

3、波頻率增大而減小的效應規(guī)律;非線性壓縮效應是微波器件 HPM干擾效應的主要機制,獲得了微波器件增益損耗隨 HPM功率增大而增大的效應規(guī)律及經驗公式;非線性損傷效應是造成半導體 HPM損傷效應主要機制,實驗與仿真研究發(fā)現(xiàn),半導體內部不可避免存在缺陷,缺陷使半導體 PN結或氧化層局部 HPM擊穿損傷,在 PN結或氧化層內部形成低電阻通道,對正常信號旁路分流,使半導體器件損傷降級;半導體損傷電流、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,得出了相應經驗公式。
　　深入研究了雙極型晶體管的 HPM效應。通過效應實驗和失效分析,揭示了發(fā)射結損傷是 HPM作用致雙極型晶體管失效的基本機制。建立了 HPM作用于雙極型晶體管的物理過程與模型,并通過器件仿真分析確定了 HPM引起器件失效的主要原因是HPM產生的感應電壓脈沖引起雙極型器件基區(qū)燒毀形成熔絲和產生大量缺陷?；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。器件仿真與實驗結果吻合較好。
　　深入研究了 MOS晶體管的 HPM效應。通過效應實驗和失效分析,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制。建立了 nMOSFET在HPM作用下的二維電熱模型,獲得了器件內部電場、電流密度以及溫度對 HPM作用的響應規(guī)律,分析了源-襯底 PN結、漏-襯底 PN結附近器件內部溫度分布隨HPM作用時間的變化關系。結果表明 nMOSFET器件漏極注

6、入 HPM時器件內部峰值溫度出現(xiàn)在漏端 PN結附近,且具有累積效應。當溫度達到硅材料硅熔點,器件內部漏端 PN結表面附近形成熔絲,器件損毀。該機理分析得到的器件特性變化與器件 HPM損傷實驗的測試結果相吻合。
　　研究了集成電路的 HPM效應。通過效應實驗、參數(shù)測試和失效分析,揭示了片內晶體管 PN結擊穿致集成電路失效的基本機制。效應后參數(shù)測試結果表明,在哪個模塊的引腳注入微波,則這個模塊的相應參數(shù)出現(xiàn)異常,即此模塊出現(xiàn)損傷。失效