典型半导体器件的高功率微波效应研究

摘要

高功率微波(High Power Microwave,HPM)是极具应用前景的新概念技术。由于其固有的物理特性,HPM能够干扰、压制、摧毁电子信息系统。HPM对电子信息系统的作用,根本原因是 HPM对电子器件(特别是半导体器件)的作用。本文在研究 HPM非线性效应的基础上,重点研究了双极型晶体管和 MOS晶体管的非线性损伤效应,对半导体器件的抗 HPM加固设计具有重要意义。
　　系统研究了半导体器件的 HPM非线性效应,指出非线性效应是 HPM能量耦合到半导体器件内部并产生破坏效应的最根本机制,半导体器件在不同 HPM功率作用下表现出不同程度的非线性效应:小功率时为非线性检波、非线性变频和非线性压缩效应,大功率时为非线性损伤效应;非线性检波、非线性变频是高频 HPM能量转换成低频能量对低频电子系统发生干扰、扰乱效应的主要机制,获得了非线性检波/变频电压随 HPM功率增大而增大但增长速率变慢的效应规律,得出检波/变频电压与微波功率的经验公式,获得了检波效率随带外微波频率增大而减小的效应规律;非线性压缩效应是微波器件 HPM干扰效应的主要机制,获得了微波器件增益损耗随 HPM功率增大而增大的效应规律及经验公式;非线性损伤效应是造成半导体 HPM损伤效应主要机制,实验与仿真研究发现,半导体内部不可避免存在缺陷,缺陷使半导体 PN结或氧化层局部 HPM击穿损伤,在 PN结或氧化层内部形成低电阻通道,对正常信号旁路分流,使半导体器件损伤降级;半导体损伤电流、损伤耗散功率、损伤程度随 HPM功率增大而增大,损伤电阻随 HPM功率增大而减小,得出了相应经验公式。
　　深入研究了双极型晶体管的 HPM效应。通过效应实验和失效分析,揭示了发射结损伤是 HPM作用致双极型晶体管失效的基本机制。建立了 HPM作用于双极型晶体管的物理过程与模型,并通过器件仿真分析确定了 HPM引起器件失效的主要原因是HPM产生的感应电压脉冲引起双极型器件基区烧毁形成熔丝和产生大量缺陷。基区烧毁面积与缺陷数量随高功率微波作用的时间与功率增大而增大,不同的烧毁面积引起失效器件的直流特性将发生变化。器件仿真与实验结果吻合较好。
　　深入研究了 MOS晶体管的 HPM效应。通过效应实验和失效分析,揭示了栅氧化层击穿及沟道穿通作用致 MOS晶体管失效的基本机制。建立了 nMOSFET在HPM作用下的二维电热模型,获得了器件内部电场、电流密度以及温度对 HPM作用的响应规律,分析了源-衬底 PN结、漏-衬底 PN结附近器件内部温度分布随HPM作用时间的变化关系。结果表明 nMOSFET器件漏极注入 HPM时器件内部峰值温度出现在漏端 PN结附近,且具有累积效应。当温度达到硅材料硅熔点,器件内部漏端 PN结表面附近形成熔丝,器件损毁。该机理分析得到的器件特性变化与器件 HPM损伤实验的测试结果相吻合。
　　研究了集成电路的 HPM效应。通过效应实验、参数测试和失效分析,揭示了片内晶体管 PN结击穿致集成电路失效的基本机制。效应后参数测试结果表明,在哪个模块的引脚注入微波,则这个模块的相应参数出现异常,即此模块出现损伤。失效分析结果也验证了这一点。最后给出了抗强电磁脉冲设计初步建议。

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第一章 绪论

1.1 高功率微波及其应用

1.2 高功率微波效应

1.3 国内外研究状况

1.4 HPM 效应研究目的与方法

1.5 本论文研究目的、内容和方法

第二章 半导体器件 HPM 非线性效应研究

2.1 引言

2.2 HPM 非线性检波效应

2.3 非线性变频效应

2.4 非线性压缩效应

2.5 HPM 非线性损伤效应

2.6 本章小结

第三章 双极型晶体管 HPM 损伤效应研究

3.1 注入法效应实验

3.2 受损晶体管的直流特性分析

3.3 基极注入微波的 BJT 损伤机理研究

3.4 双极晶体管失效分析结果

3.5 双极晶体管小结

第四章 MOSFET 高功率微波效应研究

4.1 MOSFET 的效应实验研究

4.2 MOSFET 高功率微波效应结果分析

4.3 栅极注入微波的 nMOSFET 特性退化机理研究

4.4 漏极注入微波的 nMOSFET 热电损伤机理研究

4.5 MOSFET 效应研究小结

第五章 PWM 集成电路 HPM 效应研究

5.1 X1525 简介

5.2 X1525 效应实验研究

5.3 辐照实验

5.4 损伤后功能测试与失效分析

5.5 模拟集成电路 HPM 效应小结

第六章 总结与展望

6.1 论文取得的创新性成果

6.2 不足之处

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果