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MOS器件的强电磁脉冲敏感位置和损伤机理的研究

2020-12-10阅读(1029)

MOS器件的强电磁脉冲敏感位置和损伤机理的研究

论文摘要

随着半导体器件特征尺寸的逐渐减小,集成电路集成度不断提高,由半导体器件作为基础单元的系统和电路设备的应用范围越来越广。但在电路性能因集成度提高而逐步提升的同时,器件和电路也更加容易受到强电磁脉冲等外界因素的影响。每年受强电磁脉冲影响造成的经济损失有增无减,故研究强电磁脉冲对半导体器件的敏感区域和损伤机理具有十分重要的意义。本文利用Sentaurus TCAD器件仿真软件,建立了三维MOSFET器件对其进行了在电磁脉冲EMP(Electromagnetic Pulse)和高功率微波HPM(High Power Microwave)环境下的瞬态仿真。利用三维结构的优势,从不同角度观察器件内部电场电流和温度分布情况,找到了在强电磁脉冲作用下器件内部的敏感位置并分析了其内部机理。通过仿真得到的结果进行分析表明:当EMP信号从器件漏端注入时,MOS管漏端PN结空间电荷区附近的电场强度最为密集,大电流主要集中在源漏和栅正下方沟道处,故器件内部最易因热量积聚而发生损伤失效的区域位于器件漏极的PN结附近。此外,在相同条件下,小尺寸器件因其自身结构更紧凑、热量不易扩散等特点导致更容易受到EMP注入的影响而发生热损毁失效。在HPM环境中,由于注入信号频率过高,在上一个周期产生的热量无法在下一个周期到来前完全扩散,热量不断的积累最终导致器件源漏PN结附近局部温度过高而发生热损毁的现象,并且由于信号从漏端注入所以在漏端发生失效的概率要大于源端。此外,与EMP注入时类似,在相同条件下小尺寸器件内部的热量更容易积累而失效。通过三视图观察分析,在热损毁失效点附近的热量以椭球形态向外分布,而采用轻掺杂漏的结构能够有效防止PN结弯曲处的电场积聚从而在一定程度上使局部温度不易过高从而实现加固器件的目的。最后,通过器件级别和系统级别两个方面提出了加固器件的方法。本文对MOS器件强电磁脉冲作用下的损伤位置和机理进行了研究分析,为之后研究强电磁脉冲对器件的影响奠定了理论基础。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号对照表
  • 缩略语对照表
  • 第一章 绪论
  •   1.1 电磁脉冲研究背景和意义
  •   1.2 国内外现状
  •   1.3 论文方法和主要研究内容
  • 第二章 强电磁脉冲对器件作用的内部机理
  •   2.1 EMP和 HPM传输过程
  •   2.2 强电磁脉冲导致器件失效物理机理
  •   2.3 MOSFET器件自热效应
  •   2.4 数值模型
  •     2.4.1 电子和空穴连续性方程
  •     2.4.2 电子和空穴输运方程
  •     2.4.3 泊松方程
  •     2.4.4 热传导方程
  •     2.4.5 电压击穿和碰撞电离
  •   2.5 本章总结
  • 第三章 MOSFET器件EMP瞬态仿真
  •   3.1 Sentaurus TCAD仿真软件介绍
  •     3.1.1 Sentaurus Structure Editor
  •     3.1.2 Sentaurus Device
  •   3.2 模型参数介绍和选择
  •     3.2.1 雪崩发生模型
  •     3.2.2 带隙和电子亲和能模型
  •     3.2.3 温度模型
  •     3.2.4 SRH复合
  •     3.2.5 俄歇复合
  •   3.3 三维MOS器件模型建立
  •   3.4 模型电学特性验证
  •     3.4.1 转移特性曲线
  •     3.4.2 输出特性曲线
  •     3.4.3 击穿特性曲线
  •   3.5 器件EMP瞬态响应仿真
  •     3.5.1 电场强度分布情况
  •     3.5.2 电流密度分布情况
  •     3.5.3 温度分布情况
  •   3.6 EMP脉冲下不同尺寸器件的器件特性对比
  •     3.6.1 不同尺寸下的基本电学特性对比
  •     3.6.2 不同尺寸下的电场强度分布对比
  •     3.6.3 不同尺寸下的电流密度分布对比
  •     3.6.4 不同尺寸下的温度分布对比
  •   3.7 本章总结
  • 第四章 MOSFET器件HPM瞬态仿真
  •   4.1 HPM的特性和产生过程
  •   4.2 HPM作用下的温度公式
  •   4.3 器件的HPM瞬态响应仿真
  •     4.3.1 正半周期的电场强度分布情况
  •     4.3.2 正半周期的电流密度分布情况
  •     4.3.3 正半周期的温度分布情况
  •     4.3.4 负半周期的电场强度分布情况
  •     4.3.5 负半周期的电流密度分布情况
  •     4.3.6 负半周期的温度分布情况
  •   4.4 正负周期对比
  •   4.5 不同尺寸器件的温度对比
  •   4.6 本章总结
  • 第五章 强电磁脉冲加固技术
  •   5.1 器件级加固
  •     5.1.1 器件材料加固方法
  •     5.1.2 器件工艺加固方法
  •     5.1.3 器件结构加固方法
  •   5.2 电路和系统级加固
  •   5.3 本章小结
  • 第六章 总结和展望
  •   6.1 总结
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简介

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 张翔

    导师: 刘红侠,高博

    关键词: 场效应晶体管,强电磁脉冲,电磁脉冲,高功率微波,损伤位置

    来源: 西安电子科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 西安电子科技大学

    分类号: TN386;O441

    DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.002138

    总页数: 81

    文件大小: 4192K

    下载量: 69

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