探析双极晶体管电磁脉冲损伤机理

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1、探析双极晶体管电磁脉冲损伤机理深圳深爱半导体股份有限公司518116摘要：对于半导体器件来说，其一般都是属于微型结构、微功耗的电子器件，当遭受外界电应力的作用下，会对其可靠度带来极大的影响，甚至会造成失效现象。因此，木文主要结合B」T以及电磁脉冲的基木理论，对双极晶体管电磁脉冲损伤机理分析进行了深入的分析，并提出了相应的防护措施。关键词：双极晶体管；电磁脉冲；BjT;EMP；损伤机理；防护措施一、引言BJT是双极结型晶体管(BipolarJunctionTransistor—BJT)的缩写，乂常称为双载子晶体管。在BjT的工艺中

2、，能够将两个PN结结合到一块，从而形成了BR,对于BjT来说，PNP和NPN是两种主要的结构形式。电磁脉冲(EMP),可以产生外界电应力，可以对电子器件带来损害。EMP给电子带来的损害，在当前集成度更高以及设备尺、？的降低状况下，EMP所带来的损伤就会越大，因此，木文主要结合EMP对双极晶体管所带来的损伤机理进行了深入的分析。二、双极晶体管电磁脉冲损伤机理分析若双极晶体管(BjT)受到电磁脉冲(EMP)的作用下，就会有高电压在其上面产生作用，从而发生脉冲效应。在这种情况下，就会在内外部有些不同寻常的表现。在内部，双极晶体管，就会

3、产牛.Kirk效应和横向电流流动效应，此时载流子的流动分布将发生异常；在外部，器件在脉冲电压的作用下，可以根据脉冲强度的差异，将BK的被作用阶段分为热平衡、散热以及绝热等，在每个过程之中，双极性晶体管在损伤的功率、能量以烧毁时间方面都有着较大的差别。(1)Kirk效应分析BJT的基IX宽度在大电流时发生展宽的现象，即称为基IX展宽(扩展)效应，也称为Kirk效应。在发生大电流注入时，集电区的泊松方程修正为:在上式中，代表层的杂质浓度，而则为流过势垒区的电子密度。如果流过集电结势垒区的电子电流完全是电子的漂移电流，而且在势垒区的电

4、子漂移速度达到了饱和速度，那么我们可以将上式改写成：在改写的上式中，处于势垒区，为一个常数，可以将（2）式进行积分，从而得到下列结果：在上式中，主要表示当位置处的电场强度。通过积分后的（3）式可以看出，在势垒区中，其电场分布式线性，而且集电极电流密度和其斜率存在着一定的关系。在大注入下，也会使得基区的宽度加宽，从而对电流的特征频率与放大系数带来一定的影响，而在该种背景下，双极晶体管器件的性能也会带来改变。双极晶体管电流的放大系数相关公式如下所示：明显从上式可以看出，基区宽度和电流放大系数存在着反比的关系，在大注入的背景下，基区宽

5、度被扩宽，那么相应地，电流放大系数就会下降。（5）式和（6）式分别展示了基区的渡越吋间和特征频率：从该式也可以看出，随着基区的宽度扩大，相应地基区的渡越吋间也变大，在该种情况下，特征频率开始下降。对于在电磁脉冲注入下的Kirk效应来说，在该种现象下，电流特征频率和放大系数将会非常迅速的下降，从而带来双极晶体管的性能迅速损坏。而根据实践，为了奋效避免该种现象的发生，最为关键的因素便是尽量使得临界电流密度尽量变大。（2）电流集边效应分析所谓电流集边效应是指双极晶体管工作在大电流下的情况下吋，在BJT的发射结表面上就就会出现电流密度分

6、布不均的现象，也就是说，在发射结边缘的位置冇着较大的电流密度，而越靠近内部，则电流密度的程度则越低。上图展示了NPN平面晶体管基极电流流动方向示意图，电流若想达到发射结就必须横向流经狭窄的基区。对于基区的材料来说，可以将其等效视之为具备相应的电阻率，而基区的宽度相对比较窄，可以用横向电阻的概念进行量化。当在横向电阻上通过了某种电流吋，就会产生一定的横向压降，该横向压降是平行于集电结与发射结的。此吋，如果产生了小电流，那么便可以不必考虑，但是如果存在着较大的电流吋，就会产生较大的基极电流，而且上文所述的压降也将变的较大。而这种情况

7、下对双极晶体管的影响便不可以忽略了。通常情况下，如果在基极电极与发射结中央存在着较远距离的话，那么相应地也会存在着较大的电阻，而根据上文分析，在基区的压降也会较大。此吋我们可以发现，基区真正的电压应该是外加电压与压降之间的差值，也即是说，在基区的边缘具有较大的电压，同时其电流密度相应地也越人。Mil,我们可以分析出，在发射结中央部位，其电流密度相对是比较小的。一般情况下，发射结的面积都比较大，边缘相距中央位置奋着较远的距离，当电流流经这段距离吋，就会产生边缘电流小，中央电流大的明显现象，而这种电流集中在发射结边缘的现象，就被称之

8、为电流集边效应。可以看出，对于电流集边效砬来说，基区电阻是非常关键的因素，也可以成为其自偏压效应。如果当强电磁脉冲在器件的集电极发生作用时，冇学者研究发现，横向载流子运动产生的电流与正偏吋的横向电流吋相反的，在发射结的中心流向基极，该种情况下就会产生一个相反的横