高功率电磁脉冲辐射下半导体器件的击穿效应

摘要

随着半导体器件在民用和军用系统中广泛的使用，器件的可靠性问题研究越来越重要。在某些条件下，半导体器件或电路必须工作在电磁脉冲干扰之下。特别地，当一个高功率电磁脉冲突然加载在晶体管上时，会导致晶体管的电击穿或热击穿。通常情况下，确定EMP参数对半导体器件的干扰及损伤的影响可以通过试验研究和理论研究的方法。但是由于受到器件、系统的复杂性和电磁环境诸多因素的限制，准确的试验非常困难，因此有必要从理论上研究电磁脉冲对电子系统的破坏机理，而电子系统的基本组成部分是半导体器件，所以首先要对半导体器件进行研究。 在本文中，我们运用理论研究的方法分析器件的击穿和烧毁效应。本文的主要工作在以下几方面： 首先，对半导体器件的EMP损伤机理进行了分析。分析了电磁脉冲干扰下电子设备破坏的物理基础，并建立了微波干扰影响的典型模型,着重分析了半导体器件的损伤机理,并对典型器件进行了讨论。 其次，介绍了半导体器件二维仿真的理论基础，包括器件参数和模型建立所需的基本方程和边界条件。建立了二维稳态和瞬态模型下半导体器件所满足的刚性、耦合、非线性偏微分方程组，并对边界条件及参数的确定进行了讨论。 再次，介绍了利用时域有限元方法进行器件数值模拟的步骤，建立了基于时域有限元方法的二维稳态和瞬态的半导体器件数值模拟矩阵，然后用PISCESII-B软件和FORTRAN语言对方程组进行了数值计算。得到了在电磁脉冲辐射下半导体器件的电特性和热特性的仿真结果，以及器件内部的温度分布。 最后，以薄膜晶体管和双极型晶体管为例进行建模仿真和计算分析,模拟了薄膜晶体管和双极型晶体管在几种不同电压加载环境下的内部载流子行为，电位及电场分布，得到了器件破坏影响的动态过程，及器件内部的温度分布和熔点的位置。 本文研究途径及模拟方法为下一步半导体器件的三维模拟及试验数据的理论分析与论证奠定了基础。