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 機械工程學院, 南京 210094)

0 引言

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

外部電磁脈沖(EMP)會以電磁波的形式向外擴散并通過耦合路徑進入設備腔內,最終對器件造成損壞[6]。因此,人們對電磁脈沖對器件和電路的干擾和損傷現象越來越關注[7]。當耦合到NMOS管上的電磁能量過大時,可能會發生整流效應,導致NMOS管誤操作甚至直接造成破壞[8]。針對電磁脈沖作用下NMOS管的損傷效應已有許多研究[9]。一項國外研究[10]指出,二次擊穿屬于熱效應,其中PN結電流發生局部集中,從而導致PN結局部熔化。然而,該研究提出的理論模型過于簡化,與實驗結果的吻合并不好。D.C.Wunsch等[11]進行了70多種MOS管的閾值失效測試,并對實驗數據進行了篩選和驗證,最終建立了一個半經驗公式。Egawa[12]建立并分析了PN結的失效模型,研究了雪崩擊穿與二次擊穿失效機理之間的聯系,指出二次擊穿的原因是由于雪崩擊穿產生的負阻導致的,然而該理論的計算結果與實驗存在較大差距,不夠準確。國內的研究者任興榮等[13]研究了二極管、晶體管在強電磁輻射下器件內的電流、電壓密度和延遲時間等隨輸入脈沖變化的情況,得出了二極管、晶體管等在強電磁輻射下的損傷機理以及注入能量與注入干擾信號波形之間的關系。徐穩等[14]使用自編寫的數學模型和程序計算出了微波條件下NMOS管內部的溫度、電流和電壓變化情況。范菊平等[15]對晶體管進行了微波注入,分析結果得出了器件在微波條件下的損傷位置和失效機理。

針對某型反坦克導彈在強電磁環境下失效的問題,發現起爆控制電路中NMOS管時常出現擊穿、燒毀等現象,因此需要對NMOS管在電磁脈沖下損傷機理進行分析,研究其在戰場環境下受到強電磁脈沖干擾下的電磁敏感性,即研究強電磁脈沖經過屏蔽外殼后耦合到晶體管上的干擾電壓對其所造成的損傷效能。借助半導體仿真軟件Silvaco TCAD建立相應的NMOS管模型,研究晶體管內部電流密度與電壓密度隨激勵源注入的變化規律,對晶體管的損傷模式與損傷機理等特點進行分析。

1 NMOS管數值計算模型

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,需要計算半導體器件內溫度分布,而器件熱量受多種電學特性影響,由熱傳導方程、泊松方程、電子和空穴連續性方程組成如下熱力學模型。熱傳導方程[16]為:

(1)

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

電子和空穴連續性方程為:

(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,精確模擬器件內各種電學特性對熱能的影響,還需要考慮載流子的遷移、電場功耗與溫度對載流子擴散輸送的相互作用,其中對載流子的輸送影響最為關鍵的是低場遷移率模型與載流子生成-復合模型。

仿真采用Klaassen提出的Philips統一遷移率模型來描述低場載流子遷移率。

(7)

(8)

其中各模型參數值如表1所示。

載流子產生-復合過程考慮了SRH復合模型和俄歇復合模型。其中SRH復合即間接復合,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為缺陷能級和本征費米能級之差,nie指的是本征載流子濃度(即未摻雜半導體中的載流子濃度)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指的是和陷阱能級相關的參數。

俄歇復合模型為:

(12)

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

仿真意在模擬晶體管正常工作受到電磁脈沖時產生的損傷,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現熱量流通,器件的其余部分設置為絕熱狀態。

表1 模型參數

2 仿真流程與電路設計

使用Silvaco TCAD軟件進行半導體器件仿真,對建模、材料、摻雜濃度與求解方式設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 器件結構建立

本仿真對晶體管做研究分析,建立NMOS管二維模型見圖3,模型為典型NMOS管結構,為N-P-N結構,模型橫向寬度為1 μm,襯底厚度0.6 μm,結深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,建模完成后以硅(Si)為襯底,進行離子注入與擴散,對襯底進行P型摻雜,摻雜濃度為2×1017/cm3,使用高斯分布,對源極與漏極進行N型摻雜,摻雜濃度為9.3×1019/cm3,源極與漏極間為P型半導體。實現管內濃度分布見圖4。

圖3 NMOS管二維結構圖

圖4 摻雜濃度分布圖

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

圖5 縱軸摻雜濃度分布

4 仿真結果與數據分析

4.1 漏極脈沖電壓注入仿真

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

根據仿真電路,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,此時從漏極上注入上升時間為1 μs,電壓幅值為20 V的脈沖電壓信號,脈沖與時間變化關系見圖6所示。

圖6 20 V電磁脈沖與時間關系圖

4.2 NMOS管的端特性隨脈沖作用時間的變化規律

見圖 7,NMOS管在正常工作狀態下,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,連接起源極與漏極,使得電流能夠流過,此時NMOS管導通,漏極電流迅速增大,但由于襯底中的電子數量有限,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,發生雪崩倍增效應產生大量的載流子,因此漏極電流以指數級的趨勢迅速增大,致使NMOS的局部導體溫度升高,發生局部熔化,從而進一步增大電流,不斷循環,最終造成NMOS管失效,甚至發生熱擊穿導致永久性失效。

圖7 NMOS管端特性曲線

4.3 NMOS管的管內特性隨脈沖幅值的變化規律

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

圖8為NMOS管在脈沖幅值為10 V時的電壓強度與電流密度參數示意圖,此時NMOS管處于正常工作區,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,在漏極電壓作用下,電子隨之遷移,形成電流,但并未出現雪崩擊穿現象,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結彎曲處由于PN結的結曲率效應,漏極PN結的邊緣線上的電場強度出現峰值,稍大于平面區的電場強度,而襯底底部電場強度較小,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型摻雜區與P型摻雜區形成耗盡區,電流密度趨于0。

圖9為NMOS管在脈沖幅值為15 V時的電壓強度與電流密度參數示意圖,此時NMOS管的漏極與襯底處的電壓峰值明顯增大,而平面區的電場強度區域穩定保持在對數為5.1 V/cm上下,而電流密度與0.2 μs相比,雖然也增大了,同時漏極與源極下方的電流密度近0區域也減小了,但是電流密度相比并未發生明顯變化,其他參數的分布情況也趨于一致,只是在數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管內部各參數分布情況

圖9 t=1 μs幅值15 V NMOS管內部各參數分布情況

圖10 t=1 μs幅值20 V NMOS管內部各參數分布情況

圖10為NMOS管在脈沖幅值為20 V時的電壓強度與電流密度參數示意圖,由圖10可見,此時沿著漏極與襯底處的PN結曲面上,電壓強度只有少量增大,但電場分布區域大幅擴散,可以判斷這是由于漏極施加大電壓下,超過雪崩擊穿電壓,發生了雪崩擊穿,電子發生碰撞、分離,產生大量離散電子,電子遷移穿過PN結流向襯底使得電場強度與電子濃度急劇增加,此時y=0.22 μm處的橫軸線上電場強度與15 V 時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,驗證雪崩效應確實發生,致使載流子數量大幅增加,并在2個PN位置處形成雙峰值。查看管內溫度分布與最大溫度隨時間變化見圖 11,此時管內溫度以漏極PN結處為中心,向外迅速減小,溫度中心與電流密度峰值處、電場強度相重合,所以該區域的功率密度遠大于其他部位,造成區域性的熱量集中使得局部(PN結處)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,循環作用產生大量熱能,使得溫度0.83 μs時開始在短時間內從350 K升溫至1 870 K,已經超過的半導體材料硅的熔點,這說明在短時間內NMOS管的漏極處已經發生高溫熔融現象,產生了局部缺陷,對NMOS管的形成造成了永久性的損傷,這種現象屬于熱二次擊穿。

根據1 μs內隨著漏極電壓注入的不斷增大,器件內部電學特性與溫度的變化規律,可以得出,一開始,在漏極電壓未達到雪崩擊穿電壓前,NMOS管正常工作,電場分布均勻,電流密度在2個PN結處較為集中,溫度保持在300～350 K以內,隨著漏極電壓超過雪崩擊穿電壓,漏極處的空間電荷區、電場強度分布擴大,在漏極PN結處發生電場強度峰值、電流密度峰值劇增現象,可以判斷在PN結曲面上首先發生雪崩擊穿,造成電學特性劇變,導致管內溫度上升,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,NMOS管發生永久性失效。

圖11 幅值20 V NMOS管內部溫度參數圖

4.4 NMOS管擊穿電壓與柵極電壓關系

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時漏極電流與漏極電壓變換關系曲線圖,柵極電壓影響著形成N溝道的寬度與源極、漏極連接時內阻的大小,隨著柵極電壓的增大,P摻雜區中越來越多的電子向N溝道匯聚,產生了更多的自由電子,相同漏極電壓下未擊穿時飽和區電流大小也隨之越大,同時由上文可知NMOS管失效主要是因為漏極PN結反偏電壓超過雪崩擊穿電壓導致,而柵極電壓的增大減小了漏極PN結的反偏程度,從而增大了雪崩擊穿電壓,所以適當的增大柵極電壓更有利于NMOS管的有效工作,但是需要注意,柵極電壓的增大會導致柵極與漏極間的電壓增大,而高電壓會導致柵極氧化層擊穿發生柵-源擊穿,可以通過并聯齊納二極管進行優化。

圖12 柵極電壓1、2、3、4 V擊穿參數圖

4.5 仿真結果與實驗驗證

文獻[17]進行了NMOS管漏極注入高功率微波實驗,實驗結果表明,從漏極注入微波時,主要發生的是漏極PN結擊穿導致電流異常增大,熱量累計,溫度升高,致使電流進一步集中,循環之下出現熱斑,局部溫度迅速升高超過硅的熔點從而發生局部燒毀,這與圖11所示的仿真結果相吻合。通過實驗結果與仿真結果相驗證表明,建立的二維電熱模型能夠很好的反映NMOS管內電場強度與電流密度隨漏極注入脈沖幅值的變化規律,預測發生擊穿時燒毀的位置。

5 結論

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NMOS管的管內瞬態特性,研究了管內電場強度與電流密度變化規律。

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

3) 柵極電壓也會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,但柵極電壓過大時柵-源易發生氧化層擊穿。

4) 仿真數據與研究結果對于戰場環境下半導體器件的電磁脈沖損傷機理和電磁敏感性研究具有參考意義。