復(fù)合半導(dǎo)體橋的電爆特性

徐 興, 張文超, 秦志春, 鄧吉平, 王 軍, 徐振相, 周 彬, 彭金華

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

半導(dǎo)體橋火工品的誕生是電火工品一次革命性的飛躍,它具有高瞬發(fā)度、高安全性、低發(fā)火能量以及能與數(shù)字邏輯電路組合等優(yōu)點[1],與傳統(tǒng)的橋絲式點火系統(tǒng)相比,將智能電子、保險和發(fā)火電路集成在起爆器上,再加上半導(dǎo)體橋火工品點火性能的優(yōu)越性,使起爆器在體積、重量、功率和功能上都具有更多的優(yōu)勢[2],因此半導(dǎo)體橋火工品已成為微型點火和傳爆序列芯片的研究和應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點。

半導(dǎo)體橋火工品的核心是半導(dǎo)體橋芯片(以下簡稱半導(dǎo)體橋)，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響半導(dǎo)體橋火工品的性能。半導(dǎo)體橋是指利用微電子制造技術(shù)使一種或多種金屬或其它材料有控制地沉積于基底上形成的單層或多層半導(dǎo)體膜(或金屬半導(dǎo)體復(fù)合膜)作為換能的器件[3]。半導(dǎo)體橋自1968年誕生以來國外已經(jīng)從多晶硅半導(dǎo)體橋發(fā)展到復(fù)合半導(dǎo)體橋直到最新的含能半導(dǎo)體橋[4-6]，以此來解決半導(dǎo)體橋小型化、低發(fā)火能量帶來的點火可靠性問題。復(fù)合半導(dǎo)體橋方面[7]: Benson[5]于1990年發(fā)明了鎢/硅半導(dǎo)體復(fù)合橋，它在未摻雜的多晶硅橋上沉積一層鎢形成鎢/硅半導(dǎo)體復(fù)合橋。其作用原理為: 當(dāng)橋上通電流時，首先大量電流主要從鎢橋上流過，鎢橋上電阻增加，電流減小，而硅橋上電阻迅速減小，電流增加，最后硅被汽化形成等離子體放電。Bernardo[8]和前田繁[9]等發(fā)明了多層金屬半導(dǎo)體復(fù)合橋，它由硅或藍(lán)寶石基片、重?fù)诫s多晶硅層、鈦/鈦-鎢/鎢(Ti/Ti-W/W)復(fù)合層構(gòu)成。Ti/Ti-W/W復(fù)合層均采用金屬濺射技術(shù)，不存在退火過程，因此該器件克服了硅鎢橋中因使用鎢層退火而引起的氧化問題。Bernardo等[10]在Benson的基礎(chǔ)上發(fā)明了鈦金屬半導(dǎo)體復(fù)合橋，將鎢層用鈦代替，由于鈦的熔點為1660 K，低于硅蒸發(fā)時的溫度，在硅層蒸發(fā)前就已經(jīng)熔化，另外，鈦層受熱時還可以與環(huán)境中的氧氣和氮?dú)獾劝l(fā)生放熱反應(yīng)，進(jìn)一步提高半導(dǎo)體橋的點火能力。而國內(nèi)仍僅僅只對多晶硅半導(dǎo)體橋進(jìn)行了研究，因此開展對復(fù)合半導(dǎo)體橋以及含能半導(dǎo)體橋的研究尤為迫切和必要。由于復(fù)合半導(dǎo)體橋是含能半導(dǎo)體橋制備的基礎(chǔ)，因此對復(fù)合半導(dǎo)體橋的設(shè)計、制備以及性能等開展研究具有重要意義。本研究即對制得的復(fù)合半導(dǎo)體橋的電爆性能進(jìn)行研究。

2 實驗部分

2.1 復(fù)合半導(dǎo)體橋樣品

復(fù)合半導(dǎo)體橋是在多晶硅半導(dǎo)體橋的橋區(qū)增加一層或多層金屬橋膜,在電激勵情況下通過多晶硅和金屬橋膜的共同氣化,生成等離子體來點燃下一級裝藥的點火裝置。

本研究通過磁控濺射的方法將單層Ti膜和多晶硅復(fù)合，采用的復(fù)合半導(dǎo)體橋的橋區(qū)形狀為H型,通過在橋區(qū)兩側(cè)的雙V形狀使電流在橋的中間部位集聚,V型夾角90°,整個橋區(qū)的尺寸為90 μm×300 μm×2 μm(L×W×T),復(fù)合半導(dǎo)體橋的結(jié)構(gòu)示意圖和形貌圖如圖1所示。

a. schematic view

b. morphology image

圖1 復(fù)合半導(dǎo)體橋的結(jié)構(gòu)示意圖和橋區(qū)形貌圖

Fig.1 Schematic view and morphology image of semiconductor bridge(SCB)

2.2 復(fù)合半導(dǎo)體橋的爆發(fā)性能測試電路

復(fù)合半導(dǎo)體橋點火電路及復(fù)合半導(dǎo)體橋上電壓、電流測試系統(tǒng)如圖2所示。復(fù)合半導(dǎo)體橋點火電路由電源、電容、復(fù)合半導(dǎo)體橋以及無感導(dǎo)線組成,其中無感導(dǎo)線的電阻(R2)為0.01 Ω。實驗所用復(fù)合半導(dǎo)體橋為裸橋,試驗時,閉合開關(guān)A,電源對電容充電,充電到設(shè)定值時斷開開關(guān)A、閉合B,復(fù)合半導(dǎo)體橋在電能的激勵下爆發(fā)。本實驗采用22 μF的鉭電容作為復(fù)合半導(dǎo)體橋的激發(fā)能源。

圖2 復(fù)合半導(dǎo)體橋的爆發(fā)性能測試電路原理圖

Fig.2 Electric schematic diagram of SCB explosion test

高速數(shù)字存貯示波器(LeCroy WaverPro960型,帶寬2 GHz、采樣速度100 Ms·s-1)通過電壓、電流探頭與點火電路相連,記錄復(fù)合半導(dǎo)體橋爆發(fā)過程中的電壓、電流的變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 復(fù)合半導(dǎo)體橋上的電壓、電流的測試及數(shù)據(jù)的處理

復(fù)合半導(dǎo)體橋在電容放電模式45 V電壓激勵下響應(yīng)得到的電流、電壓的變化曲線如圖3所示：

圖3 復(fù)合半導(dǎo)體橋電壓、電流隨時間的變化曲線

Fig.3 Curves of SCB voltage, current vs time

由圖3可知: 閉合開關(guān)B時，復(fù)合半導(dǎo)體橋響應(yīng)的電壓曲線快速上升，在0.93 μs時電壓達(dá)到第一個峰值26.10 V，之后快速下降，在2.50 μs時電壓降到最低點15.22 V。此后電壓再次升高，在3.22 μs時電壓達(dá)到第二個峰值47.03 V，此時復(fù)合半導(dǎo)體橋爆發(fā)生成等離子體，對應(yīng)的時間為復(fù)合半導(dǎo)體橋的爆發(fā)時間，記為t1。電壓在達(dá)到第二個峰后又迅速下降，在爆發(fā)約1 μs后其下降幅度漸漸變緩，至38.90 μs時電壓保持在恒定值18.47 V左右。

電流曲線在開關(guān)B閉合后單調(diào)快速上升，在2.88 μs時達(dá)到最大值，此時瞬時電流為36.20 A，此后電流在1 μs內(nèi)下降迅速，在3.82 μs時降至27.92 A，接著電流下降速率變慢，直至38.90 μs時電流降為0 A，該時刻即為電容作用于復(fù)合半導(dǎo)體橋的終止時間，對應(yīng)時間記為t2，t2和t1的差值即為電能作用于半導(dǎo)體橋生成等離子體上的時間。

根據(jù)圖3中電壓、電流曲線可得電容作用于復(fù)合半導(dǎo)體橋的爆發(fā)時間，平行3次求平均值，得該電壓下復(fù)合半導(dǎo)體橋的平均爆發(fā)時間。

將測得的電壓和電流-時間曲線相乘可得功率(P)-時間(t)曲線，再積分得到輸入復(fù)合半導(dǎo)體橋上的電能(E)隨時間(t)的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)合半導(dǎo)體橋上的功率和電能隨時間變化曲線

Fig.4 Curves of SCB power and electric energy vs time

3.2 復(fù)合半導(dǎo)體橋的電爆性能分析

圖5是復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋在22 μF電容時不同電壓激勵下的電壓變化曲線。

a. compound semiconductor bridge

b. polycrystalline silicon semiconductor bridge

圖5 22 μF電容不同電壓下兩種半導(dǎo)體橋的電壓變化曲線

Fig.5 Curves of voltages for two kinds of SCB with different voltages under 22 μF

圖6是復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋在22 μF電容不同電壓激勵下的電流變化曲線。由圖6可知: 在22 μF電容不同充電電壓下,復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋的電流變化在電流升高階段(即半導(dǎo)體橋爆發(fā)前)基本相同，但爆發(fā)后隨著電壓的升高特別是在50 V和60 V左右時復(fù)合半導(dǎo)體橋的電流曲線并不像多晶硅半導(dǎo)體橋中電流曲線一樣迅速降低，而是在電流下降一個階段后又經(jīng)歷一個突越后才再次下降。

a. composite semiconductor bridge

b. polycrystalline silicon semiconductor bridge

圖6 22 μF電容不同電壓下兩種半導(dǎo)體橋的電流變化曲線

Fig.6 Curves of two SCB currents with different voltages under 22 μF

由圖5和6的可知: 復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋在爆發(fā)前的變化過程基本一致。根據(jù)文獻(xiàn)[12]的分析可知：多晶硅半導(dǎo)體橋爆發(fā)時，橋區(qū)物質(zhì)已達(dá)到沸點并部分氣化，其從常溫升高到沸點所需消耗能量為0.43 mJ; 復(fù)合半導(dǎo)體橋雖然在多晶硅半導(dǎo)體橋的基礎(chǔ)上增加了一層或多層金屬薄膜，但金屬薄膜的厚度不足多晶硅薄膜的1/5時，從常溫升高到沸點所需消耗能量也僅為0.04 mJ左右，整個復(fù)合半導(dǎo)體橋相變所需的能量為0.47 mJ，相似形狀的兩種半導(dǎo)體橋在爆發(fā)過程中的電壓、電流變化與相變所需的能量密切相關(guān)，而上述兩種半導(dǎo)體橋相變所需的能量差別不大，因此兩種半導(dǎo)體橋在爆發(fā)前的電爆過程及電壓、電流的變化形態(tài)基本一致，均經(jīng)歷了由固態(tài)到液態(tài)，然后氣化最終爆發(fā)生成等離子體的過程。

造成復(fù)合半導(dǎo)體橋在爆發(fā)后電流下降較慢的原因是: 復(fù)合半導(dǎo)體橋的橋區(qū)是由金屬和多晶硅薄膜共同組成的，在復(fù)合半導(dǎo)體橋爆發(fā)時，橋區(qū)已經(jīng)達(dá)到沸點并部分氣化，有金屬和硅蒸氣生成，與多晶硅半導(dǎo)體橋相比，金屬和硅的混合蒸氣生成的等離子體的導(dǎo)電能力較硅蒸氣的強(qiáng)，單位時間內(nèi)復(fù)合半導(dǎo)體橋的電阻下降較慢，故表現(xiàn)為復(fù)合半導(dǎo)體橋爆發(fā)后電流下降較慢。

3.3 復(fù)合半導(dǎo)體橋的爆發(fā)時間測試與分析

由復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋在22 μF電容不同電壓激勵下的電流電壓曲線,可獲得不同電壓下對應(yīng)的爆發(fā)時間隨電壓變化的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 22 μF電容激勵下兩種半導(dǎo)體橋的爆發(fā)時間隨電壓的變化曲線

Fig.7 Curves of two SCB explosion time with different voltage under 22 μF

另外由圖7還可知: 復(fù)合半導(dǎo)體橋爆發(fā)所需的時間較多晶硅的稍稍偏長。這是由于金屬薄膜的存在,復(fù)合橋從常溫升高到沸點爆發(fā)所需0.47 mJ的能量較多晶硅(0.43 mJ)稍多,而在相同電容相同電壓下,電容單位時間內(nèi)的放電功率是固定的,因此復(fù)合半導(dǎo)體橋爆發(fā)所需的時間較多晶硅的長。

3.4 復(fù)合半導(dǎo)體橋作用于等離子體上能量的測試與分析

復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋在22 μF電容下作用于等離子體上的能量隨電壓變化的關(guān)系如圖8所示。

圖8 22μF電容激勵下兩種半導(dǎo)體橋作用于等離子體上的能量隨電壓的變化

Fig.8 Curves of energy functioned on plasma by two SCB with different voltage under 22 μF

由圖8可知: 在22 μF電容下,復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋作用于等離子體上的能量隨充電電壓的增加而呈線性增加,它們對應(yīng)的函數(shù)分別為E=-12.70+0.58U和E=-12.09+0.54U。這是因為與多晶硅半導(dǎo)體橋相比復(fù)合半導(dǎo)體橋上金屬薄膜的存在使作用于等離子體上的能量高,但由于金屬薄膜厚度較薄,其氣化所需消耗的能量較少,因此復(fù)合半導(dǎo)體橋爆發(fā)后作用于等離子體上的能量僅比多晶硅稍高。

3.5 復(fù)合半導(dǎo)體橋的點火可靠性分析

由文獻(xiàn)[13]對多晶硅半導(dǎo)體橋與炸藥的對流傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬結(jié)果顯示：其產(chǎn)生的硅等離子體在1.5 μs內(nèi)氣相溫度從5500 K降低到2000 K，壓力從150 MPa降至2 MPa；而炸藥表面溫度在生成硅等離子體0.10 μs時達(dá)到最大值2086 K，隨后在1.5 μs時表面溫度降到567 K。由上述可知: 在多晶硅半導(dǎo)體橋爆發(fā)生成等離子體1.5 μs時仍然存在傳熱傳質(zhì)過程。Benoson[14]的研究結(jié)果顯示，如果電流脈沖的持續(xù)時間小于3 μs，則等離子體加熱階段就不會出現(xiàn)，不能點燃含能材料，因此本節(jié)通過測定半導(dǎo)體橋爆發(fā)后3 μs內(nèi)輸入半導(dǎo)體橋上的能量對復(fù)合半導(dǎo)體橋以及多晶硅半導(dǎo)體橋的點火可靠性進(jìn)行比較。

圖9是復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋在22 μF電容不同電壓激勵下爆發(fā)后3 μs內(nèi)輸入橋上的能量的關(guān)系曲線。

圖9 兩種半導(dǎo)體橋爆發(fā)后3 μs內(nèi)輸入橋上的能量與電壓的關(guān)系

Fig.9 Curves of energy and voltage imported on SCB in 3 μs after explosion

由圖9可知: 在低電壓情況下,復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋在爆發(fā)后3 μs內(nèi)輸入橋上的能量相差不大; 隨著電壓的升高,輸入復(fù)合半導(dǎo)體橋上的能量漸漸較多晶硅上的多,通過內(nèi)插法計算可知,在57 V下,爆發(fā)后3 μs內(nèi)輸入復(fù)合半導(dǎo)體橋上的能量約為多晶硅上的1.5倍,比多晶硅上的多2.51 mJ。在爆發(fā)后的3 μs內(nèi),半導(dǎo)體橋上瞬時輸入能量的增加意味著其點火能力的增加,因此復(fù)合半導(dǎo)體橋點火的可靠性較多晶硅半導(dǎo)體橋高。

4 結(jié) 論

采用高速數(shù)字存貯示波器對22 μF電容不同充電電壓激勵下復(fù)合半導(dǎo)體橋和電爆過程進(jìn)行了測試，并與多晶硅半導(dǎo)體橋的電爆過程進(jìn)行了比較分析，得到:

(1) 復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋在爆發(fā)前的電爆過程基本一致，而爆發(fā)后特別是在電壓升高到50 V以上時復(fù)合半導(dǎo)體橋的電流在下降一個階段后又經(jīng)歷一個突越后才再次下降，電流下降的過程明顯較多晶硅半導(dǎo)體橋的慢。

(2) 復(fù)合半導(dǎo)體橋和多晶硅半導(dǎo)體橋的爆發(fā)時間均隨著充電電壓的升高而呈指數(shù)降低，其對應(yīng)的指數(shù)函數(shù)分別為t=e(3.88-0.11U+9.52×10-4U2)和t=e(2.88-0.07U+5.58×10-4U2)，在30 V以上電壓激勵情況下復(fù)合半導(dǎo)體橋的爆發(fā)時間比多晶硅半導(dǎo)體橋長,相差不足0.5 μs，且隨著電壓升高其差距越小。

(3) 在較高電壓下，爆發(fā)后3 μs內(nèi)輸入復(fù)合半導(dǎo)體橋上的能量約為多晶硅上的1.5倍，復(fù)合半導(dǎo)體橋上瞬時輸入能量的增加意味著其點火可靠性也增加。

復(fù)合半導(dǎo)體橋上金屬薄膜的存在是造成上述結(jié)果的原因。

由此可見，與多晶硅半導(dǎo)體橋相比，復(fù)合半導(dǎo)體橋在30 V以上電壓激勵情況下爆發(fā)時間增加有限，而爆發(fā)后3 μs內(nèi)輸入的能量顯著增加，因此其點火可靠性增加，這對半導(dǎo)體橋特別是小尺寸的半導(dǎo)體橋的可靠點火是非常有利的。

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