硅基PNP型达林顿管微波损伤机理研究

发布时间：2020-07-03 11:38

【摘要】：高功率微波(high power microwave,HPM)是强电磁脉冲(electromagnetic pulse,EMP)的一种重要形式,具有高频率、短脉冲和高功率的特点,可通过“前门”耦合和“后门”耦合进入电子系统,从而造成电子元器件和集成电路的失效甚至是永久性损伤。因此,研究HPM作用下半导体器件的损伤效应和机理对半导体器件和电路的微波保护具有重要意义。作为一种高增益、高耐压的半导体器件,达林顿晶体管(Darlington transistor)广泛应用于功放电路、电源电路、驱动电路、开关转换电路及线圈点火等领域中。本文利用Sentaurus-TCAD首次构建了Si基PNP型单片式达林顿晶体管的二维电热模型,通过分析器件内部各物理量的分布随仿真时间的变化,讨论了达林顿晶体管的HPM损伤效应和机理。本文主要的研究成果为:首先,分析了从达林顿晶体管的集电极、基极和发射极注入HPM下的损伤效应和机理,结果表明,基极注入时器件最容易损伤,且此时器件的损伤点有两个,分别位于T1管和T2管的发射极和基极之间;发射极注入时最不容易损伤器件,其与集电极注入时都仅有一个位于T2管发射结边缘的损伤点。其次,讨论了微波参数和结构参数对达林顿晶体管损伤的影响。结果表明,损伤时间随着幅值的增加而减小;频率的增高不但使器件的损伤时间减小,还影响损伤点的分布;重频越高,器件内部的累积温度越高;反之,器件内部的累积温度越少;随着占空比的增大,器件内部的累积温度减小,且占空比大于0.125时,温度在器件内部不再累积;对于三角波、正弦波和方波等三种不同形式的电压信号,方波最容易损伤器件,三角波最不容易损伤器件;另外,讨论了达林顿晶体管的加固方法,结果表明,衬底浓度在一定范围内,浓度越小,器件越不容易损伤;同时,在发射极串联一个电阻可以有效延长器件的损伤时间;器件的结构对微波损伤也有影响。最后,得到了集电极注入EMP和HPM下器件的损伤能量阈值和损伤功率阈值分别与脉宽的关系,结果表明,损伤能量阈值随脉宽的增大而增大,而损伤功率阈值随着脉宽的增大而减小。与HPM相比,EMP只需要更少的能量和功率就可以损伤器件。另外,仿真了基极和发射极注入下的脉宽效应,对比三种不同注入方式,结果表明,基极注入的损伤功率阈值最小,发射极注入下损伤功率阈值最大。本文的工作对电子器件和设备的HPM损伤效应与机理研究有一定的理论指导意义。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN32
【图文】：

温度分布,显微形貌,能量,保护电阻

0 10 20 30 40101.2E+037.7E+023.0E+02y/x / μm图 3.20 加入保护电阻后烧毁时刻的温度分布护电阻的电路相比，加入保护电阻后的器件只有极之间。调制的 150 MHz 射频信号在硅基双极型低噪声注入实验[19, 45]，样品解剖结果表明，LNA 的 T2 这说明本文的仿真结果与实验结果是一致的。图现这种情况的原因是，在有保护电阻的电路中，R1和 R2，这些偏置电阻分流部分信号，故 T1 管流经 T1 管放大后，在发射极形成大电流，导致易损伤。

【参考文献】