双极型晶体管高功率微波的损伤机理

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1、第２２卷第６期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．６２０１０年６月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＪｕｎ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）０６１３１９０４双极型晶体管高功率微波的损伤机理范菊平１，２，张玲１，贾新章１（１．西安电子科技大学微电子学院，宽禁带半导体材料与器件重点实验室，西安７１００７１；２．西北核技术研究所，西安７１００２４）摘要：在模拟集成电路的抗高功率微波加固研究中，对电路中的单个晶体管进行高功率微波损伤机理研究。对晶体管进行洲入微波损伤效应实验和失效分析，得到了双

2、极型晶体管损伤的基本规律。损伤效应实验采用注入法，分别从晶体管的三极注入微波，得到了损伤结果。对样品进行的失效分析探明了器件的损伤部位和失效机理。结果表明，高功率微波注入主要造成ＢＥ结的退化和损伤；从基极注入微波最易损伤晶体管，而从集电极注入则相反。关键词：高功率微波；晶体管；损伤；失效分析中图分类号：ＴＮ０１５文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０６．１３１９高功率微波（ＨＰＭ）通过可能的耦合途径进入电子设备，作用到某个半导体器件上，使其损伤失效，从而造成电子设备不能正常工作。模拟集成电路是一般电子设备的

3、典型半导体器件，而双极型晶体管（ＢＪＴ）是模拟集成电路中最主要的、对高功率微波最敏感的器件。因此，研究双极型晶体管在高功率微波作用下的损伤机理，对模拟集成电路的抗高功率微波加固研究，具有重要意义。国际上虽有很多关于晶体管损伤效应的报道，［１］但基本上都是研究电磁脉冲从集电极注入的情况，极少有研究从基极注入情况的报道，而从发射极注入的情［２］况更是少见。而且，对晶体管损伤效应的数值模拟往往只是用１维数值模拟来近似，无法真实反映晶体管中［３］多个ｐｎ结对强电磁脉冲的响应。即便是２维数值模拟，也有诸多近似及理想化条件，不能很好符合具体情况

4、。以往损伤效应研究更注重效应阈值及效应源的设计，对晶体管的失效模式及机理研究不多。本文全面研究了从集电极、基极和发射极注入微波的情况，得到３种情况的晶体管失效现象；探明了３种情况下晶体管的损伤部位及可能的失效机理。１损伤效应实验损伤效应实验在进行微波注入时，晶体管处于静态偏置状态，如图１所示。正常偏置时，电源电压为９Ｖ，发射结正向直流电压犞，集电极发射极电压犞。分别从管子的３个极注入微波。从哪ＢＥ＝０．９０ＶＣＥ＝３．０Ｖ个极注入微波，就用滤波网络把该极与偏置电阻实现射频隔离。每次注入后，先测静态偏置电压，如与正常值有差异，则

5、在晶体管图示仪上观察其输出特性曲线，诊断降级与失效（“降级”是指受损晶体管的电流放大倍数下降，而“失效”是指受损晶体管失去电流放大功能，不再有晶体管的输出特性）。Ｆｉｇ．１Ｅｆｆｅｃｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅａｎｄｉｔｓｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍ图１效应实验装置及电原理图收稿日期：２００９１０２７；修订日期：２００９１２０９基金项目：模拟集成电路国家重点实验室基金项目（９１４０Ｃ０９０４０２０６ＤＺ０１０１）作者简介：范菊平（１９６８—），男，硕士，从事高功率微波效应研究；ｆａｎｊｕｐｉｎｇ＠１６３．ｃｏ

6、ｍ。１３２０强激光与粒子束第２２卷１．１从基极注入根据文献［１］研究结果，从基极注入微波脉冲使晶体管损伤所需的能量在３个极中最少，首先考虑单次脉冲注入，即每次只注入１个脉冲，脉冲宽度为５００ｎｓ。然而，对于实验所用晶体管，单次脉冲难以使其损伤。因此，每次连着注入几个脉冲，直至每次１０个脉冲。从基极注入的实验结果见表１，可以看到，从基极注入微波，当达到一定功率时，晶体管性能出现降级。随着微波功率的增大，降级越来越严重，直至ＢＥ结击穿短路，ＢＪＴ失效。１．２从集电极注入实验过程中发现，与从基极注入微波相比，从集电极注入，管子不易损伤。

7、因此注入的脉冲采用重复频率，持续时间为５ｓ。表２是从集电极注入微波时，ＢＪＴ的效应结果。结果显示，当微波脉冲重复频率增至１５ｋＨｚ时，功率达到一定值，ＢＪＴ开始出现降级。增大重复频率，损伤程度加剧，呈现两种损伤现象：变成类似二极管特性或严重降级。表１基极注入效应实验结果表２集电极注入效应实验结果犜犪犫犾犲１犈犳犳犲犮狋狊犪犳狋犲狉犻狀犼犲犮狋犻狅狀犳狉狅犿犫犪狊犲犜犪犫犾犲２犈犳犳犲犮狋狊犪犳狋犲狉犻狀犼犲犮狋犻狅狀犳狉狅犿犮狅犾犾犲犮狋狅狉ＢＪＴ犞ＢＥ／Ｖ犞ＣＥ／ＶｅｆｆｅｃｔｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎＢＪＴ犞ＢＥ／Ｖ犞ＣＥ／Ｖ

8、ｅｆｆｅｃｔｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ４＃０．６３０９．０３ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ２＃０．４９９．００ｓｅｖｅｒｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ５＃０．８５０４．２０ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ９＃０．４１４．９０ｓｅｖｅｒｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ６＃０