電磁脈沖作用下NMOS管的電磁敏感性研究

李萬銀,張晨陽,查繼鵬,鄭國慶,李吾陽,張祥金

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 南京 210094)

0 引言

復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中充斥著各種干擾信號(hào),其中電磁脈沖武器產(chǎn)生的高功率脈沖是最主要的電磁脈沖干擾信號(hào),該脈沖耦合入電路中會(huì)使敏感器件發(fā)生失誤甚至損傷[1]。NMOS管作為一種電壓控制集成開關(guān)具有輸入阻抗高、噪聲低、成本低、工藝簡單[2]等優(yōu)點(diǎn),常用在引信中控制信號(hào)的通斷[3],但其電磁敏感性較差,若在戰(zhàn)場電磁干擾如超寬帶脈沖[4]或是電磁武器攻擊下發(fā)生誤通或者失效會(huì)直接影響導(dǎo)彈的正常工作[5]。

外部電磁脈沖(EMP)會(huì)以電磁波的形式向外擴(kuò)散并通過耦合路徑進(jìn)入設(shè)備腔內(nèi),最終對(duì)器件造成損壞[6]。因此,人們對(duì)電磁脈沖對(duì)器件和電路的干擾和損傷現(xiàn)象越來越關(guān)注[7]。當(dāng)耦合到NMOS管上的電磁能量過大時(shí),可能會(huì)發(fā)生整流效應(yīng),導(dǎo)致NMOS管誤操作甚至直接造成破壞[8]。針對(duì)電磁脈沖作用下NMOS管的損傷效應(yīng)已有許多研究[9]。一項(xiàng)國外研究[10]指出,二次擊穿屬于熱效應(yīng),其中PN結(jié)電流發(fā)生局部集中,從而導(dǎo)致PN結(jié)局部熔化。然而,該研究提出的理論模型過于簡化,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合并不好。D.C.Wunsch等[11]進(jìn)行了70多種MOS管的閾值失效測試,并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選和驗(yàn)證,最終建立了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式。Egawa[12]建立并分析了PN結(jié)的失效模型,研究了雪崩擊穿與二次擊穿失效機(jī)理之間的聯(lián)系,指出二次擊穿的原因是由于雪崩擊穿產(chǎn)生的負(fù)阻導(dǎo)致的,然而該理論的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)存在較大差距,不夠準(zhǔn)確。國內(nèi)的研究者任興榮等[13]研究了二極管、晶體管在強(qiáng)電磁輻射下器件內(nèi)的電流、電壓密度和延遲時(shí)間等隨輸入脈沖變化的情況,得出了二極管、晶體管等在強(qiáng)電磁輻射下的損傷機(jī)理以及注入能量與注入干擾信號(hào)波形之間的關(guān)系。徐穩(wěn)等[14]使用自編寫的數(shù)學(xué)模型和程序計(jì)算出了微波條件下NMOS管內(nèi)部的溫度、電流和電壓變化情況。范菊平等[15]對(duì)晶體管進(jìn)行了微波注入,分析結(jié)果得出了器件在微波條件下的損傷位置和失效機(jī)理。

針對(duì)某型反坦克導(dǎo)彈在強(qiáng)電磁環(huán)境下失效的問題,發(fā)現(xiàn)起爆控制電路中NMOS管時(shí)常出現(xiàn)擊穿、燒毀等現(xiàn)象,因此需要對(duì)NMOS管在電磁脈沖下?lián)p傷機(jī)理進(jìn)行分析,研究其在戰(zhàn)場環(huán)境下受到強(qiáng)電磁脈沖干擾下的電磁敏感性,即研究強(qiáng)電磁脈沖經(jīng)過屏蔽外殼后耦合到晶體管上的干擾電壓對(duì)其所造成的損傷效能。借助半導(dǎo)體仿真軟件Silvaco TCAD建立相應(yīng)的NMOS管模型,研究晶體管內(nèi)部電流密度與電壓密度隨激勵(lì)源注入的變化規(guī)律,對(duì)晶體管的損傷模式與損傷機(jī)理等特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 NMOS管數(shù)值計(jì)算模型

仿真模擬外部電磁脈沖注入下的晶體管工作模式與損傷效應(yīng),需要計(jì)算半導(dǎo)體器件內(nèi)溫度分布,而器件熱量受多種電學(xué)特性影響,由熱傳導(dǎo)方程、泊松方程、電子和空穴連續(xù)性方程組成如下熱力學(xué)模型。熱傳導(dǎo)方程[16]為:

(1)

式(1)中:c為材料晶格熱容,T是器件內(nèi)部溫度,κ為材料熱導(dǎo)率,Pn為電子的絕對(duì)熱導(dǎo)率,Pp為空穴的絕對(duì)熱導(dǎo)率,φn和φp分別為電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米勢,q為基本電荷,R為符合率,kB為波爾茨曼常數(shù)。

電子和空穴連續(xù)性方程為:

(2)

(3)

式(2)—式(3)中:Jn和Jp分別指的是電子電流密度和空穴電流密度,n和p分別為電子密度與空穴密度。

其中,Jn和Jp的方程為:

Jn=-nqμn▽V+μnkBT▽n

(4)

Jp=-pqμp▽V+μpkBT▽n

(5)

式(4)—式(5)中:μn與μp為電子與空穴的遷移率。

泊松方程為:

(6)

式(6)中,ε為電容率。

為了提高仿真的精度,精確模擬器件內(nèi)各種電學(xué)特性對(duì)熱能的影響,還需要考慮載流子的遷移、電場功耗與溫度對(duì)載流子擴(kuò)散輸送的相互作用,其中對(duì)載流子的輸送影響最為關(guān)鍵的是低場遷移率模型與載流子生成-復(fù)合模型。

仿真采用Klaassen提出的Philips統(tǒng)一遷移率模型來描述低場載流子遷移率。

(7)

(8)

其中各模型參數(shù)值如表1所示。

載流子產(chǎn)生-復(fù)合過程考慮了SRH復(fù)合模型和俄歇復(fù)合模型。其中SRH復(fù)合即間接復(fù)合,SRH給出了電子重新組合的速率,該速率可表示為:

(9)

(10)

(11)

式(9)—式(11)中:Eupp為缺陷能級(jí)和本征費(fèi)米能級(jí)之差,nie指的是本征載流子濃度(即未摻雜半導(dǎo)體中的載流子濃度)和本征空穴濃度,n1和p1分別指的是電子和空穴載流子濃度,τp和τn指的是和陷阱能級(jí)相關(guān)的參數(shù)。

俄歇復(fù)合模型為:

(12)

式(12)中:AUGN與AUGP分別為電子與空穴的俄歇復(fù)合因子,該模型參數(shù)見表1。

仿真意在模擬晶體管正常工作受到電磁脈沖時(shí)產(chǎn)生的損傷,所以邊界條件使用歐姆接觸,以金屬材料鋁作為電極,使晶體管與外部形成良好的歐姆接觸,熱量只能通過金屬接觸實(shí)現(xiàn)熱量流通,器件的其余部分設(shè)置為絕熱狀態(tài)。

表1 模型參數(shù)

2 仿真流程與電路設(shè)計(jì)

使用Silvaco TCAD軟件進(jìn)行半導(dǎo)體器件仿真,對(duì)建模、材料、摻雜濃度與求解方式設(shè)置的基本仿真流程見圖1。

圖1 仿真流程圖

仿真采用圖2的電路模型,使用到外部脈沖電源VCC,外部穩(wěn)定電壓源V1,漏極電阻R1,源極與基極相連接地。

圖2 仿真電路模型

3 器件結(jié)構(gòu)建立

本仿真對(duì)晶體管做研究分析,建立NMOS管二維模型見圖3,模型為典型NMOS管結(jié)構(gòu),為N-P-N結(jié)構(gòu),模型橫向?qū)挾葹? μm,襯底厚度0.6 μm,結(jié)深0.2 μm,圖中基板(substract)與源極(source)接地,柵極(gate)外接電壓源,漏極(drain)注入電磁脈沖信號(hào),建模完成后以硅(Si)為襯底,進(jìn)行離子注入與擴(kuò)散,對(duì)襯底進(jìn)行P型摻雜,摻雜濃度為2×1017/cm3,使用高斯分布,對(duì)源極與漏極進(jìn)行N型摻雜,摻雜濃度為9.3×1019/cm3,源極與漏極間為P型半導(dǎo)體。實(shí)現(xiàn)管內(nèi)濃度分布見圖4。

圖3 NMOS管二維結(jié)構(gòu)圖

圖4 摻雜濃度分布圖

NMOS管橫向(沿x軸)雜質(zhì)濃度分布見圖5,NMOS管兩端為高摻雜N區(qū),中間0.4～0.6 μm處為低摻雜P區(qū),由于電子與空穴間的相互吸引會(huì)導(dǎo)致高摻雜N區(qū)與低摻雜P區(qū)間形成一層耗盡層而隔斷開路無法導(dǎo)通。

圖5 縱軸摻雜濃度分布

4 仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.1 漏極脈沖電壓注入仿真

對(duì)NMOS管的漏極、源極與基極均設(shè)定為理想歐姆接觸,柵極與薄氧化層設(shè)置為薄絕緣柵條件并設(shè)置漏極為理想熱接觸。

根據(jù)仿真電路,保持源極與基極短接接地,柵極施加3 V電壓使NMOS管處于正常工作區(qū),此時(shí)從漏極上注入上升時(shí)間為1 μs,電壓幅值為20 V的脈沖電壓信號(hào),脈沖與時(shí)間變化關(guān)系見圖6所示。

圖6 20 V電磁脈沖與時(shí)間關(guān)系圖

4.2 NMOS管的端特性隨脈沖作用時(shí)間的變化規(guī)律

見圖 7,NMOS管在正常工作狀態(tài)下,由于柵極電壓的施加使得空穴被排斥,向基極沉積,電子被吸引到柵極并在漏極與源極間形成一條窄N溝道區(qū),連接起源極與漏極,使得電流能夠流過,此時(shí)NMOS管導(dǎo)通,漏極電流迅速增大,但由于襯底中的電子數(shù)量有限,形成的溝道較窄,隨著漏極電壓的施加,漏極電流逐漸穩(wěn)定,趨于不變,但在這過程中,漏極電壓依然不斷增加,最終超過雪崩擊穿電壓,造成NMOS管漏極擊穿,在離散電子沖擊下,發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生大量的載流子,因此漏極電流以指數(shù)級(jí)的趨勢迅速增大,致使NMOS的局部導(dǎo)體溫度升高,發(fā)生局部熔化,從而進(jìn)一步增大電流,不斷循環(huán),最終造成NMOS管失效,甚至發(fā)生熱擊穿導(dǎo)致永久性失效。

圖7 NMOS管端特性曲線

4.3 NMOS管的管內(nèi)特性隨脈沖幅值的變化規(guī)律

圖8—圖10分別為漏極注入不同幅值脈沖時(shí)的NMOS管內(nèi)部的電場密度、電流密度與y=0.22 μm處的軸線上電場強(qiáng)度與電流密度分布圖。

圖8為NMOS管在脈沖幅值為10 V時(shí)的電壓強(qiáng)度與電流密度參數(shù)示意圖,此時(shí)NMOS管處于正常工作區(qū),由于柵極施加3 V電壓,在源極與漏極間搭起一條N溝道,連通起漏極與源極,形成高濃度電子區(qū),在漏極電壓作用下,電子隨之遷移,形成電流,但并未出現(xiàn)雪崩擊穿現(xiàn)象,而在y=0.22 μm 的橫軸上,電壓分布較為均勻,在漏極與襯底形成的PN結(jié)彎曲處由于PN結(jié)的結(jié)曲率效應(yīng),漏極PN結(jié)的邊緣線上的電場強(qiáng)度出現(xiàn)峰值,稍大于平面區(qū)的電場強(qiáng)度,而襯底底部電場強(qiáng)度較小,電流主要集中在漏極與源極的直線上,與理論相一致,其他位置電流較小,在源極與漏極下方由于N型摻雜區(qū)與P型摻雜區(qū)形成耗盡區(qū),電流密度趨于0。

圖9為NMOS管在脈沖幅值為15 V時(shí)的電壓強(qiáng)度與電流密度參數(shù)示意圖,此時(shí)NMOS管的漏極與襯底處的電壓峰值明顯增大,而平面區(qū)的電場強(qiáng)度區(qū)域穩(wěn)定保持在對(duì)數(shù)為5.1 V/cm上下,而電流密度與0.2 μs相比,雖然也增大了,同時(shí)漏極與源極下方的電流密度近0區(qū)域也減小了,但是電流密度相比并未發(fā)生明顯變化,其他參數(shù)的分布情況也趨于一致,只是在數(shù)值上隨漏極電壓的增大而有所增加。

圖8 t=1 μs幅值10 V NMOS管內(nèi)部各參數(shù)分布情況

圖9 t=1 μs幅值15 V NMOS管內(nèi)部各參數(shù)分布情況

圖10 t=1 μs幅值20 V NMOS管內(nèi)部各參數(shù)分布情況

圖10為NMOS管在脈沖幅值為20 V時(shí)的電壓強(qiáng)度與電流密度參數(shù)示意圖,由圖10可見,此時(shí)沿著漏極與襯底處的PN結(jié)曲面上,電壓強(qiáng)度只有少量增大,但電場分布區(qū)域大幅擴(kuò)散,可以判斷這是由于漏極施加大電壓下,超過雪崩擊穿電壓,發(fā)生了雪崩擊穿,電子發(fā)生碰撞、分離,產(chǎn)生大量離散電子,電子遷移穿過PN結(jié)流向襯底使得電場強(qiáng)度與電子濃度急劇增加,此時(shí)y=0.22 μm處的橫軸線上電場強(qiáng)度與15 V 時(shí)相比只有峰值處電壓有所增大,但橫軸線上電流密度顯著增大,驗(yàn)證雪崩效應(yīng)確實(shí)發(fā)生,致使載流子數(shù)量大幅增加,并在2個(gè)PN位置處形成雙峰值。查看管內(nèi)溫度分布與最大溫度隨時(shí)間變化見圖 11,此時(shí)管內(nèi)溫度以漏極PN結(jié)處為中心,向外迅速減小,溫度中心與電流密度峰值處、電場強(qiáng)度相重合,所以該區(qū)域的功率密度遠(yuǎn)大于其他部位,造成區(qū)域性的熱量集中使得局部(PN結(jié)處)溫度急劇升高,局部高溫形成多處熱斑,熱斑處電流迅速增大,循環(huán)作用產(chǎn)生大量熱能,使得溫度0.83 μs時(shí)開始在短時(shí)間內(nèi)從350 K升溫至1 870 K,已經(jīng)超過的半導(dǎo)體材料硅的熔點(diǎn),這說明在短時(shí)間內(nèi)NMOS管的漏極處已經(jīng)發(fā)生高溫熔融現(xiàn)象,產(chǎn)生了局部缺陷,對(duì)NMOS管的形成造成了永久性的損傷,這種現(xiàn)象屬于熱二次擊穿。

根據(jù)1 μs內(nèi)隨著漏極電壓注入的不斷增大,器件內(nèi)部電學(xué)特性與溫度的變化規(guī)律,可以得出,一開始,在漏極電壓未達(dá)到雪崩擊穿電壓前,NMOS管正常工作,電場分布均勻,電流密度在2個(gè)PN結(jié)處較為集中,溫度保持在300～350 K以內(nèi),隨著漏極電壓超過雪崩擊穿電壓,漏極處的空間電荷區(qū)、電場強(qiáng)度分布擴(kuò)大,在漏極PN結(jié)處發(fā)生電場強(qiáng)度峰值、電流密度峰值劇增現(xiàn)象,可以判斷在PN結(jié)曲面上首先發(fā)生雪崩擊穿,造成電學(xué)特性劇變,導(dǎo)致管內(nèi)溫度上升,電阻減小,電流增大,引起熱二次擊穿,使得溫度迅速增大并超過硅的熔點(diǎn),NMOS管發(fā)生永久性失效。

圖11 幅值20 V NMOS管內(nèi)部溫度參數(shù)圖

4.4 NMOS管擊穿電壓與柵極電壓關(guān)系

圖12為保持漏極電壓注入幅值為20 V,掃描分析柵極電壓分別為1、2、3、4 V時(shí)漏極電流與漏極電壓變換關(guān)系曲線圖,柵極電壓影響著形成N溝道的寬度與源極、漏極連接時(shí)內(nèi)阻的大小,隨著柵極電壓的增大,P摻雜區(qū)中越來越多的電子向N溝道匯聚,產(chǎn)生了更多的自由電子,相同漏極電壓下未擊穿時(shí)飽和區(qū)電流大小也隨之越大,同時(shí)由上文可知NMOS管失效主要是因?yàn)槁OPN結(jié)反偏電壓超過雪崩擊穿電壓導(dǎo)致,而柵極電壓的增大減小了漏極PN結(jié)的反偏程度,從而增大了雪崩擊穿電壓,所以適當(dāng)?shù)脑龃髺艠O電壓更有利于NMOS管的有效工作,但是需要注意,柵極電壓的增大會(huì)導(dǎo)致柵極與漏極間的電壓增大,而高電壓會(huì)導(dǎo)致柵極氧化層擊穿發(fā)生柵-源擊穿,可以通過并聯(lián)齊納二極管進(jìn)行優(yōu)化。

圖12 柵極電壓1、2、3、4 V擊穿參數(shù)圖

4.5 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

文獻(xiàn)[17]進(jìn)行了NMOS管漏極注入高功率微波實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,從漏極注入微波時(shí),主要發(fā)生的是漏極PN結(jié)擊穿導(dǎo)致電流異常增大,熱量累計(jì),溫度升高,致使電流進(jìn)一步集中,循環(huán)之下出現(xiàn)熱斑,局部溫度迅速升高超過硅的熔點(diǎn)從而發(fā)生局部燒毀,這與圖11所示的仿真結(jié)果相吻合。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相驗(yàn)證表明,建立的二維電熱模型能夠很好的反映NMOS管內(nèi)電場強(qiáng)度與電流密度隨漏極注入脈沖幅值的變化規(guī)律,預(yù)測發(fā)生擊穿時(shí)燒毀的位置。

5 結(jié)論

1) 通過使用Silvaco TCAD建立了NMOS管二維電熱模型,仿真得到了漏極注入脈沖電壓時(shí)NMOS管的管內(nèi)瞬態(tài)特性,研究了管內(nèi)電場強(qiáng)度與電流密度變化規(guī)律。

2) 通過圖8—圖10可得,漏極電壓注入下,首先形成平穩(wěn)N摻雜溝道,NMOS管正常工作,當(dāng)漏極電壓超過雪崩擊穿電壓18 V(見圖7),發(fā)生雪崩擊穿造成電流在結(jié)面處集中,發(fā)熱增加造成結(jié)面處熱量不斷積累,持續(xù)作用下發(fā)生熱二次擊穿,管內(nèi)電阻減小,局部電流與溫度迅速上升并出現(xiàn)熱斑,形成熔融通道,使得PN結(jié)燒毀,燒毀點(diǎn)主要發(fā)生在漏極PN結(jié)曲面處。

3) 柵極電壓也會(huì)影響漏極雪崩擊穿電壓的大小,柵極電壓越大雪崩擊穿電壓也越大,但柵極電壓過大時(shí)柵-源易發(fā)生氧化層擊穿。

4) 仿真數(shù)據(jù)與研究結(jié)果對(duì)于戰(zhàn)場環(huán)境下半導(dǎo)體器件的電磁脈沖損傷機(jī)理和電磁敏感性研究具有參考意義。