双极型晶体管在强电磁脉冲作用下的瞬态响应

 利用时域有限差分法,对双极型晶体管在强电磁脉冲作用下的瞬态响应进行了2维数值模拟,分析了器件烧毁过程中电场、电流密度、温度等参数的分布及变化情况,分别观察了低电压和高电压脉冲作用下烧毁过程中热点的形成过程,并得到了器件烧毁所需时间以及能量与脉冲电压幅度之间的关系。在电压脉冲较低时,烧毁点位于通道中靠近集电极的位置,当脉冲电压达到一定幅度的时候,由于发射极与集电极之间发生雪崩击穿,基极和发射极之间电势会抬高,从而引起基极和发射极之间的击穿,形成新的热点,并在电压幅度约高于100 V的情况下会率先达到烧毁温度。随着脉冲电压幅度的增高,晶体管烧毁所需时间呈负指数减少,而所需能量在55~100 V之间接近于线性增长,直到电压幅度约高于100 V时才开始减少。     

基极注入强电磁脉冲对双极晶体管的损伤效应和机理

建立了双极晶体管(BJT)在强电磁脉冲作用下的二维电热模型, 对处于有源放大区的BJT在基极注入强电磁脉冲时的瞬态响应进行了仿真. 结果表明, BJT烧毁点位置随注入脉冲幅度变化而变化, 低脉冲幅度下晶体管烧毁是由发射结反向雪崩击穿所致, 烧毁点位于发射结柱面区; 而在高脉冲幅度下, 由基区-外延层-衬底组成的p-n-n⁺ 二极管发生二次击穿导致靠近发射极一侧的基极边缘率先烧毁; BJT的烧毁时间随脉冲幅度升高而减小, 而损伤能量则随之呈现减小-增大-减小的变化趋势, 因而存在一个极小值和一个极大值. 仿真与实验结果的比较表明, 本文建立的晶体管模型不但能预测强电磁脉冲作用下BJT内部烧毁发生的位置, 而且能够得到损伤能量. 关键词： 双极晶体管 强电磁脉冲 烧毁点位置 损伤能量     

外电路在电磁脉冲对双极型晶体管作用过程中的影响

 借助自主开发的2维半导体器件-电路联合仿真器，研究了电磁脉冲从发射极注入双极型晶体管时，外电路的影响，分析了共基极接法晶体管的电流分配系数，然后在此基础上研究了3种典型外电路元件的影响。结果表明：当脉冲从发射极注入时，基极外接电阻对器件烧毁过程影响不大；集电极外接正电压源等效于削减电磁脉冲的幅度，有延缓器件烧毁的作用；集电极外接电阻能明显提高器件对电磁脉冲的耐受性。     

强电磁干扰对达林顿管的损伤效应与机理（英文）

建立了PNP型达林顿管的二维电热模型,对处于有源放大区的达林顿管的集电极注入高功率微波(HPM)和强电磁脉冲(EMP)时的瞬态响应进行了仿真。结果表明:HPM注入下,器件内部的峰值温度呈周期性的"下降-上升",温度升高过程发生在信号的正半周,靠近达林顿管发射极的晶体管发射结边缘是最易毁伤处;EMP注入下,其损伤机理与HPM注入时的正半周时相似,器件内部峰值温度一直上升,易毁伤部位与HPM注入时相同。得到了损伤功率阈值和损伤能量阈值与损伤脉宽的关系,这两种干扰注入下的损伤能量阈值-脉宽关系和损伤功率阈值-脉宽关系公式相似,并且在相同脉宽下,HPM注入下的损伤能量阈值大于EMP注入下的损伤能量阈值。     

双极晶体管在强电磁脉冲作用下的损伤效应与机理

针对典型n⁺-p-n-n⁺结构的双极晶体管,从器件内部电场强度、电流密度和温度分布变化的分析出发,研究了在强电磁脉冲(electromagnetic pulse,EMP)作用下其内在损伤过程与机理.研究表明,双极晶体管损伤部位在不同幅度的注入电压作用下是不同的,注入电压幅度较低时,发射区中心下方的集电区附近首先烧毁,而在高幅度注入电压作用下,由于基区-外延层-衬底构成的PIN结构发生击穿,导致靠近发射极一侧的基极边缘处首先发生烧毁.利用数据分析软件,对不同注入电 关键词： 双极晶体管 强电磁脉冲 器件损伤 损伤功率     

强电磁干扰对达林顿管的损伤效应与机理

建立了PNP型达林顿管的二维电热模型,对处于有源放大区的达林顿管的集电极注入高功率微波(HPM)和强电磁脉冲(EMP)时的瞬态响应进行了仿真。结果表明:HPM注入下,器件内部的峰值温度呈周期性的“下降-上升”,温度升高过程发生在信号的正半周,靠近达林顿管发射极的晶体管发射结边缘是最易毁伤处;EMP注入下,其损伤机理与HPM注入时的正半周时相似,器件内部峰值温度一直上升,易毁伤部位与HPM注入时相同。得到了损伤功率阈值和损伤能量阈值与损伤脉宽的关系,这两种干扰注入下的损伤能量阈值-脉宽关系和损伤功率阈值-脉宽关系公式相似,并且在相同脉宽下,HPM注入下的损伤能量阈值大于EMP注入下的损伤能量阈值。     

电磁脉冲对CMOS与非门的干扰和损伤效应与机理（英文）

利用Sentaurus-TCAD建立了CMOS与非门电路的二维电热模型,仿真研究了在电磁脉冲注入下,CMOS与非门电路产生的扰乱和损伤效应及其机理。结果表明,在EMP注入下,电路输出电压、内部的峰值温度呈周期性的"下降-上升",当注入功率较大时,EMP撤销后输出电压停留在异常值,PMOS源极电流增加,温度不断上升,最终烧毁在PMOS源极,这是因为器件内部产生了闩锁效应。随着脉宽的增加,损伤功率阈值减小而损伤能量阈值增大,通过数据拟合得到脉宽与损伤功率阈值和损伤能量阈值的关系。该结果可对EMP损伤效应进行评估并对器件级EMP抗毁伤加固设计具有指导作用。     

电磁脉冲对CMOS与非门的干扰和损伤效应与机理

利用Sentaurus-TCAD建立了CMOS与非门电路的二维电热模型,仿真研究了在电磁脉冲注入下,CMOS与非门电路产生的扰乱和损伤效应及其机理。结果表明,在EMP注入下,电路输出电压、内部的峰值温度呈周期性的“下降-上升”,当注入功率较大时,EMP撤销后输出电压停留在异常值,PMOS源极电流增加,温度不断上升,最终烧毁在PMOS源极,这是因为器件内部产生了闩锁效应。随着脉宽的增加, 损伤功率阈值减小而损伤能量阈值增大,通过数据拟合得到脉宽与损伤功率阈值和损伤能量阈值的关系。该结果可对EMP损伤效应进行评估并对器件级EMP抗毁伤加固设计具有指导作用。     

双极结型晶体管的集电结反向雪崩击穿特性

通过气体放电产生更高浓度的低温等离子体要求具有纳秒上升沿和纳秒脉宽的高重频快脉冲,而目前被广泛使用的MOSFET和IGBT都无法满足这些参数要求,而双极结型晶体管(BJT）的集电极与发射极之间的雪崩击穿过程具有快导通、快恢复、高稳定性等优点,适合作为小型Marx发生器的自击穿开关。文中对用多种型号的BJT进行击穿特性比较测试实验,发现可以通过改变BJT的门极和发射极的并联电阻来调节其雪崩击穿电压,实现一定范围的工作电压。雪崩击穿恢复特性实验表明,当击穿电流衰减到低于维持电流时,BJT就会开始恢复绝缘而关断,通过改变电路中的参数以控制击穿电流的变化就可以控制BJT的雪崩击穿导通时间（即导通脉宽）。将这些结论应用到实际电路中,可获得上升沿5 ns、脉宽为10 ns、幅值2 kV、重复频率高达100 kHz的纳秒快脉冲,可用于激发高浓度低温等离子体。     

基极注入强电磁脉冲对双极型晶体管的作用

 空间电磁脉冲注入硅双极型晶体管后可能会导致晶体管烧毁。借助2维数值仿真和理论分析研究了基极注入短电磁脉冲对双极型晶体管的作用,得出结论：晶体管的热斑位于基极边缘,由于该点既是电场峰所在,又是电流最密集之处,热量产生集中,因此基极注入脉冲使晶体管烧毁所需的能量比其它两电极注入要少;在基极注入短脉冲作用下,晶体管烧毁所需能量几乎不随脉冲宽度变化;烧毁所需脉冲功率近似与脉冲宽度成反比。     

Effect of bias condition on heavy ion radiation in bipolar junction transistors

The characteristic degradations in a silicon NPN bipolar junction transistor(BJT) of 3DG142 type are examined under irradiation with 40-MeV chlorine(Cl) ions under forward,grounded,and reverse bias conditions,respectively.Different electrical parameters are in-situ measured during the exposure under each bias condition.From the experimental data,a larger variation of base current(I B) is observed after irradiation at a given value of base-emitter voltage(V BE),while the collector current is slightly affected by irradiation at a given V BE.The gain degradation is affected mostly by the behaviour of the base current.From the experimental data,the variation of current gain in the case of forward bias is much smaller than that in the other conditions.Moreover,for 3DG142 BJT,the current gain degradation in the case of reverse bias is more severe than that in the grounded case at low fluence,while at high fluence,the gain degradation in the reverse bias case becomes smaller than that in the grounded case.     

双极型晶体管高功率微波的损伤机理

在模拟集成电路的抗高功率微波加固研究中,对电路中的单个晶体管进行高功率微波损伤机理研究。对晶体管进行洲入微波损伤效应实验和失效分析,得到了双极型晶体管损伤的基本规律。损伤效应实验采用注入法,分别从晶体管的三极注入微波,得到了损伤结果。对样品进行的失效分析探明了器件的损伤部位和失效机理。结果表明,高功率微波注入主要造成B-E结的退化和损伤;从基极注入微波最易损伤晶体管,而从集电极注入则相反。     

Optical and electrical characteristics of InGaP/AlGaAs/GaAs composite emitter heterojunction bipolar/phototransistors (CEHBTs/CEHPTs)

We report on new InGaP/AlGaAs/GaAs composite emitter heterojunction bipolar and phototransistors (CEHBTs/CEHPTs) with a low turn-on voltage. The composite emitter comprised of the digital graded superlattice emitter and the InGaP sub-emitter is used to smooth out potential spike associated with the emitter–base heterojunction and to obtain a low emitter–base turn-on voltage. A fabricated CEHBT exhibits a small offset voltage of 55 mV and a low turn-on voltage of 0.83 V with a dc current gain as high as 150. In case of a CEHPT’s collector–emitter characteristics with base floating, optical gains increase with increasing input optical power. Furthermore, the collector current saturation voltage is small due to a low turn-on voltage. We obtain an optical gain larger than 6.83 with a collector current saturation voltage smaller than 0.5 V. On the other hand, performance results of a CEHPT with two- and three-terminal configuration were investigated and compared.     

双极晶体管负载瞬态辐照毁伤效应

利用有源传输线模型与漂移-扩散模型的耦合计算模型,对在瞬态X射线辐照下电缆末端典型N+-p-n-N+结构的双极晶体管负载的毁伤效应与规律进行研究,通过分析双极晶体管内部晶格温度分布,判定是否处于毁伤状态,总结双极晶体管烧毁时间和烧毁所需能量与脉冲X射线脉冲宽度和注量之间的关系。结果表明:随着脉冲X射线脉宽增加,双极晶体管烧毁能量变化较小,烧毁时间逐渐增加;随着注量增加,烧毁时间逐渐降低,在5.86J/cm2以下时,烧毁所需能量基本相同,之后呈指数逐渐增加,并通过曲线拟合得到损伤规律的经验公式。     

脉冲宽度对核电磁脉冲烧毁RS触发器效应的影响

利用实验室自主开发的二维半导体器件-电路联合仿真器对RS触发器在核电磁脉冲注入下的烧毁情况进行研究,发现烧毁发生在RS触发器内n沟道增强型MOSFET栅极和漏极之间的沟道内。RS触发器烧毁的功率阈值随着脉冲宽度的增加而降低,当脉冲宽度大于80 ns后阈值变化很小。根据仿真结果,通过热传导方程对RS触发器的烧毁情况进行建模,得到了不同脉冲宽度核电磁脉冲注入下RS触发器烧毁功率阈值的理论模型,仿真结果证明了理论模型的正确性。