電磁脈沖對MOSFET的熱損傷效應研究

居培凱，徐建明，賈 巍，曹 兵

(1.南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094； 2.上?？臻g電源研究所,上海 200245)

電磁脈沖對MOSFET的熱損傷效應研究

居培凱1，徐建明2，賈 巍2，曹 兵1

(1.南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094； 2.上?？臻g電源研究所,上海 200245)

針對金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)在電磁脈沖作用下的熱損傷問題，提出了一種新的熱分析方法，通過仿真漏極注入階躍脈沖下器件內(nèi)部的溫度響應研究了其損傷機理和規(guī)律?；跓嵝雽w基本方程和熱流方程，建立了用于仿真的器件模型和數(shù)值模型。采用注入法，以階躍脈沖信號為輸入，仿真研究了不同偏壓上升時間和幅值下的器件損傷。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：階躍脈沖電壓幅值一定時，MOSFET器件內(nèi)部的溫升過程及最后達到的最大溫度與脈沖上升時間無關(guān)，器件在經(jīng)過雪崩擊穿、電流模式二次擊穿后，溫度迅速上升直至器件燒毀，燒毀所用時間與脈沖上升時間滿足線性關(guān)系；脈沖上升時間一定時，器件溫升隨電壓幅值增加而明顯加快，器件能達到的最高溫度也隨之增加，器件燒毀所需時間與電壓幅值的大小滿足冪函數(shù)關(guān)系。研究對MOSFET的電磁脈沖毀傷機理認識和加固防護設計有一定的參考價值。

金屬氧化物半導體場效應管； 電磁脈沖； 熱損傷效應； 注入法； 階躍脈沖； 偏壓上升時間； 偏壓幅值； 器件溫升

0 引言

隨著電子系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境日益惡化，半導體器件越來越易受到電磁脈沖(EMP)的干擾和損傷。作為最基本的半導體器件，MOSFET被廣泛用于模擬和數(shù)字電路，在電子工業(yè)中占主導地位，因此研究MOSFET在電磁脈沖作用下的損傷效應有十分重要的意義。目前，對MOSFET損傷的研究主要集中于靜電放電對MOSFET的損傷。文獻[1]通過對MOSFET進行二維模擬，研究了MOSFET在靜電放電作用下的失效機制；文獻[2]在分析靜電放電失效機制的基礎上對器件電學進行了模擬分析。關(guān)于高功率微波損傷效應的研究，文獻[3]通過實驗研究了在注入功率和頻率變化條件下的器件微波干擾效應，探討了微波作用前后器件特性變化及可能的損傷機理。文獻[4]對MOSFET在高功率微波作用下的輸出特性及器件內(nèi)部的響應進行了數(shù)值模擬，分析研究了MOSFET損傷的一般規(guī)律。上述研究主要從電學角度分析了MOSFET的失效機理，但大部分情況下電磁脈沖對MOSFET損傷的本質(zhì)是電磁脈沖引起的能量耦合，造成器件內(nèi)部溫度上升，以致失效。因此，有必要從熱效應的角度研究MOSFET在電磁脈沖作用下的損傷效應。為此，本文基于半導體仿真軟件，通過器件-電路聯(lián)合仿真對電磁脈沖作用下MOSFET內(nèi)部的溫度響應進行了模擬，分析研究了器件的電磁脈沖熱損傷機理及規(guī)律。

1 理論分析

MOSFET器件損傷機理的多樣性使精確確定損傷的類型有一定難度，但MOSFET器件的大部分損傷均是由于其特定區(qū)域的溫度達到了損傷溫度，才出現(xiàn)了短路、熔斷、擴散或熔化等永久失效的現(xiàn)象，最終都表現(xiàn)為熱損傷。因此，可通過對器件的熱瞬態(tài)效應進行分析，進而確定器件的損傷機理和整個損傷過程。

設器件中的電場強度為E，電流密度為J。電場的能量最終都會轉(zhuǎn)為熱量，并積淀于器件內(nèi)，其大小取決于J，E。一般情況下，不考慮熱效應時，仿真分析需計算半導體基本方程為電子和空穴的連續(xù)性方程、電流密度方程和泊松方程，這些方程既可統(tǒng)一描述半導體各區(qū)域載流子分布和運輸狀況，又能描述半導體各區(qū)域的場強與電勢分布?？紤]熱效應時，需引入晶格溫度變量作為新狀態(tài)變量，可由求解熱方程得到。因此，電熱模型需同時求解晶格的熱方程，以及電子和空穴的連續(xù)性方程、電流密度方程與泊松方程。

1.1 熱效應半導體基本方程

因引入晶格溫度變量，電流方程和泊松方程會有改變。電場和溫度場耦合作用下的電流密度方程可分別表示為

Jn=qnμn·E+qDn·T

(1)

Jp=qnμp·E+qDp·T

(2)

當晶格溫度在空間為非均勻的常數(shù)分布時，本征費米能級隨溫度而變，此時泊松方程為

(3)

(4)

1.2 熱流方程

熱傳導方程可表示為

(5)

式中：ρ，c，λ分別為材料的質(zhì)量密度、比熱比和熱導率；Q為熱產(chǎn)生密度。式(5)表明了晶格溫度與時間在熱源作用下的相互關(guān)系。

考慮與否載流子能量平衡方程，Q的表達式形式不同[6]。

a)不考慮載流子的能量平衡方程時，熱主要來源于電流流過器件電阻時產(chǎn)生的功耗，半導體內(nèi)部熱產(chǎn)生密度

Q=Qn+Qp+Qu

(6)

Qn=Jn·En

(7)

Qp=Jp·Ep

(8)

(9)

b)考慮載流子的能量平衡方程時，除考慮外加電場對載流子所做的功及載流子凈復合引起的能量變化外，半導體內(nèi)部的熱產(chǎn)生密度需考慮電子和空穴定向移動引起的能量變化。此時電熱模型可用ψ、n、p、電子溫度Tn、空穴溫度Tp和晶格溫度TL6個狀態(tài)變量描述半導體狀態(tài)均為時間和空間的函數(shù)[7]。載流子的能量方程為

(10)

(11)

此時的熱傳導方程可表示為

(12)

(13)

式中：下標L表示晶格；W為動能密度；S為能流密度；-·Sn，-·Sp為由相應載流子定向移動引起的能量變化；Uw為由載流子的產(chǎn)生與復合，以及通過聲子、晶格交換能量引起的動能凈損失率；λ為熱導率；τ為能量弛豫時間。

當處于非絕熱時，熱載流子效應可忽略不計，此時認為載流子與晶格處于熱平衡狀態(tài)，溫度相同，有Tn=Tp=TL=T[8]。同時忽略由電子和空穴的凈復合率，以及載流子的定向移動引起的能量變化，熱產(chǎn)生密度表達式可簡化為

Q=Qn+Qp=J·E=Jn·En+Jp·Ep

(14)

2 仿真模型

2.1 器件模型

本文仿真所用的MOSFET結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中：從源區(qū)到漏區(qū)的水平方向為X的正向；S，G，D分別為晶體管的源極、柵極和漏極；N+為N型重摻雜的源區(qū)和漏區(qū)。雜質(zhì)分布如圖2所示。圖2中：溝道長度1 μm，摻雜為高斯分布，結(jié)深0.3 μm，濃度峰值2×1017cm-3；P型襯底厚度2 μm，摻雜濃度5×1016cm-3。源漏摻雜均為高斯分布，結(jié)深0.2 μm，濃度峰值1.5×1020cm-3；半導體襯底的晶格溫度恒定為300 K，并假定MOSFET與外部環(huán)境的熱傳導為零。整個結(jié)構(gòu)的摻雜分布如圖2所示。

2.2 數(shù)值模型

本文用Silvaco-TCAD模擬電磁脈沖作用下MOSFET的損傷過程，模擬損傷的過程需考慮器件的自熱效應，計算由自熱引起的器件溫度分布需求解方程

(15)

式中：CL為晶格熱熔；Pn，Pp分別為電子和空穴絕對熱電功率；Ec，Ev分別為導帶底和價帶頂能量[9]。

在強電磁脈沖作用下，器件內(nèi)部局部電場很高。除考慮摻雜濃度和載流子散射對遷移率的影響外，本文還考慮了高電場對遷移率的影響。遷移率模型選用Canali遷移率模型的擴展模型，有

(16)

式中：μlow為低場遷移率，考慮了載流子散射和溫度對遷移率的影響；β為與溫度有關(guān)的參數(shù)；Fhfs為準費米勢梯度；α為參數(shù)，取α=0；vsat為室溫下飽和漂移速度，取vsat=1.9×107cm/s[10]。

載流子的產(chǎn)生復合過程考慮了Shockley-Read-Hall復合及載流子雪崩擊穿模型。此外，還考慮了源、漏極由高濃度摻雜引發(fā)的載流子隧穿效應。

3 仿真結(jié)果與分析

EMP包括了靜電放電、高功率微波、核電磁脈沖和雷電電磁脈沖等多種形式。在實際工作環(huán)境中EMP作用于器件的波形非常復雜，階躍脈沖信號雖不能表示實際工作中的復雜波形，但它不僅利于通過二維仿真軟件研究其燒毀機理，而且利于計算器件的損傷閾值，故本文采用階躍脈沖信號作為輸入[11]。

對上述器件結(jié)構(gòu)，在源極和襯底接地條件下，本文對MOSFET漏端施加不同上升時間、不同幅值的階躍脈沖電壓信號。柵極加2 V電壓保證溝道開啟，器件可正常工作。為更明確分析器件內(nèi)部溫度的變化，此處在脈沖源與器件的漏端間串聯(lián)了阻值100 Ω的電阻，觀察器件內(nèi)部溫度的變化。器件-電路聯(lián)合仿真中，考慮器件自熱效應，由計算器件半導體的基本方程和熱流方程，可得器件內(nèi)部晶格溫度的分布，以器件中局部溫度達到1 688 K的硅熔點作為器件燒毀判據(jù)[12]。仿真電路如圖3所示。

因本文主要研究不同參數(shù)電磁脈沖對MOSFET的熱損傷效應，為便于定量研究，設定柵極電壓2 V，限流電阻100 Ω。不同柵極電壓、外接電路對MOSFET發(fā)熱量的影響，有待后續(xù)進一步研究。

3.1 不同偏壓上升時間下器件損傷

為研究在不同上升時間偏壓下MOSFET器件內(nèi)部的損傷，設置階躍脈沖電壓V=13.6 V，分別在電壓前沿上升時間0.5，1.0，5.0，10.0，15.0，20.0 ns下加載，仿真所得器件內(nèi)部晶格的溫升如圖4所示。

由圖4可知：在不同上升時間電壓加載下，器件晶格的溫升曲線形狀幾乎一致，表明器件的溫升過程相同；器件最后達到的最高溫度趨近于相同(1 765 K)，可知器件可達到的最高溫度與偏壓的上升時間無關(guān)；在偏壓上升時間結(jié)束后，偏壓達到最大值，此時器件的溫度快速上升，當注入的脈沖隨時間增加而不斷增強時，漏極擴散區(qū)與襯底間pn結(jié)的反偏程度也不斷增強，空間電荷區(qū)的內(nèi)建電場隨之增大，當漏極電壓增加到一定程度后，該pn結(jié)開始發(fā)生雪崩倍增效應，隨著注入功率進一步增大，器件發(fā)生寄生晶體管擊穿效應，出現(xiàn)負阻現(xiàn)象，電流倍增，電流模式二次擊穿發(fā)生，在電場和電流的雙重作用下，器件內(nèi)部熱量積累、局部過熱，器件溫度達到硅熔點1 688 K，出現(xiàn)熱損壞而燒毀。以1 688 K作為器件燒毀的依據(jù)，可得不同偏壓上升時間下器件的燒毀時間如圖5所示。

對數(shù)據(jù)進行擬合，可得相應關(guān)系式為

y=107.308 5+0.789 3x1

式中：y為燒毀時間；x1為上升時間。x1，y的相關(guān)系數(shù)R2=0.999 ，表明其擬合精度較佳。

3.2 不同偏壓幅值下器件損傷

為研究在不同偏壓幅值下MOSFET器件內(nèi)部的損傷，設置階躍脈沖電壓上升時間t=5 ns，分別在電壓幅值13.6，15.0，20.0，30.0，40.0，50.0 V下加載，仿真所得器件內(nèi)部晶格的溫升如圖6所示。

由圖6可知：當偏壓大于20 V時，器件內(nèi)部溫度上升明顯加快，這是因為注入功率大小與電壓大小的平方成正比，電壓幅值的增加會顯著加快器件的溫升速度；隨著偏壓幅值的增加，器件最后達到的最高溫度也隨之增加，V=13.6 V時最大溫度1 765 K，V=15 V時最大溫度1 880 K，V大于20 V時器件溫度達到了仿真設置的最大溫度2 000 K。以1 688 K作為器件燒毀的依據(jù)，可得不同偏壓幅值下器件的燒毀時間如圖7所示。

對數(shù)據(jù)進行擬合，可得相應關(guān)系式為

y=(1.6×106)(x2)-3.7

式中：x2為電壓幅值。x2，y的相關(guān)系數(shù)R2=0.99，表明其擬合精度較佳。

4 結(jié)束語

在電磁脈沖對MOSFET器件的損傷特性中，溫度是衡量器件性能和可靠性的重要評估標準。本文對階躍脈沖注入下MOSFET內(nèi)部溫度響應進行了數(shù)值模擬。研究表明：當階躍脈沖電壓幅值一定時，MOSFET器件內(nèi)部的溫升過程及最后達到的最大溫度均與脈沖上升時間無關(guān)，器件在發(fā)生雪崩擊穿后，隨著注入功率的不斷增大，電流模式二次擊穿發(fā)生，隨后溫度迅速上升直至器件燒毀，燒毀所用的時間與脈沖上升時間滿足線性關(guān)系；當脈沖上升時間一定時，器件的溫升隨電壓幅值增加而明顯加快，器件能達到的最高溫度也隨之增加，器件燒毀所需的時間與電壓幅值的大小滿足冪函數(shù)關(guān)系。以往研究針對半導體器件的研究主要應用器件模擬或電路模擬，本文綜合了器件和電路模擬，更系統(tǒng)全面地仿真研究了MOSFET在電磁脈沖作用下的熱損傷效應。因數(shù)值仿真只能為MOSFET器件的電磁脈沖毀傷機理研究和加固防護設計提供理論參考，為驗證仿真的準確性，還需進行大量試驗。關(guān)于電磁脈沖對半導體器件的毀傷效應，研究方法主要有注入法和輻照法，本文采用了注入法，后續(xù)研究可采用輻照法，通過對比分析修正MOSFET的損傷模型，從而建立電磁脈沖對MOSFET的毀傷評估準則。

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ResearchonThermalDamageEffectofMOSFETunderEMPInjected

JU Pei-kai1， XU Jian-ming2， JIA Wei2， CAO Bing1

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, Jiangsu, China; 2. Shanghai Institute of Space Power-Source, Shanghai 200245, China)

Aiming at the damage of metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) under electromagnetic pulse (EMP) injected, a new thermal analysis method was put forward in this paper. The damage mechanism and regulation were studied by simulating the internal temperature response of MOSFET under the EMP injected into the drain electrode. According to the general equation and heat flux equation of semiconductor based on thermal effect, the device model and numerical model were established for simulation. Using injected method, the device damage under various rise time and amplitude of voltage was analyzed through simulation when the step pulse signal was input. The results showed that the internal temperature rose process and the maximum temperature in MOSFET device had nothing to do with the pulse rise time when the voltage amplitude of step pulse was fixed. After the avalanche breakdown and current mode second breakdown, the device temperature raised rapidly until the device was burned. The burnout time and pulse rise time were satisfied linear relationship. When the pulse rise time was stayed the same and the rise of temperature in the device was speeded up with increasing of the voltage amplitude. The highest temperature that the device can achieve also increased. The burnout time of the device and voltage amplitude satisfied power function relationship. The study has some reference valuable for the mechanism research of EMP damage of MOSFET and the reinforcement and protection design.

metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET); electromagnetic pulse (EMP); thermal damage effect; injected method; step pulse; voltage rise time; voltage amplitude; internal temperature rise

1006-1630(2017)06-0120-06

TN386.1

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.06.019

2017-03-31；

2017-08-14

居培凱(1989—)，男，碩士生，主要研究方向為電磁脈沖毀傷及其防護技術(shù)。