探析双极晶体管电磁脉冲损伤机理

探析双极晶体管电磁脉冲损伤机理

黄萃华

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，本文主要结合BJT以及电磁脉冲的基本理论，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，又常称为双载子晶体管。在BJT的工艺中，能够将两个PN结结合到一块，从而形成了BJT，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寸的降低状况下，EMP所带来的损伤就会越大，因此，本文主要结合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，就会产生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BJT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的基区宽度在大电流时发生展宽的现象，即称为基区展宽（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时间和特征频率：

从该式也可以看出，随着基区的宽度扩大，相应地基区的渡越时间也变大，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，为了有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时，在BJT的发射结表面上就就会出现电流密度分布不均的现象，也就是说，在发射结边缘的位置有着较大的电流密度，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时，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。此时，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时，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。此时我们可以发现，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大。同理，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，边缘相距中央位置有着较远的距离，当电流流经这段距离时，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，就被称之为电流集边效应。可以看出，对于电流集边效应来说，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，有学者研究发现，横向载流子运动产生的电流与正偏时的横向电流时相反的，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向电压降。如果产生的横向电压降达到了能够促使发射结中心正偏时，双极晶体管就会产生电流模式二次击穿。

三、强电磁脉冲的主要防护措施

当前，对于强电磁脉冲所采取的防护措施主要从以下几个方面展开：

（1）系统抗电磁脉冲能力设计

在很多的系统设备中，都存在大量的微电子器件，而其中某个电子器件的损坏都将会对整个系统的工作产生影响，因此，需要在系统设计初期便充分考虑到系统抗电磁脉冲能力设计。具体来说，一是模块化易损坏的部件。一般情况下，电磁脉冲所带来的电子器件损失并非致命的，而是造成系统的不稳定工作，可以通过将其模块化以便于更换；二是在系统软件的优化设计中考虑到防电磁脉冲的因素，比如，可以采用标志技术、容差技术或者数字滤波技术等等。

（2）屏蔽技术的利用

在屏蔽技术的利用中，选用合适的屏蔽体是关键所在，其可以有效削弱或阻挡电磁能的传输，从而有效达到电磁防护的目的。最常采用的加固方法便是使设备处于一个导电的法拉第笼内，在该种方式下，电磁很难达到损伤设备的目的。不过，设备往往都需要与外界进行通信或者获取电能，而这些进入点就为电磁脉冲瞬态过程提供了损坏的机会，因此，笔者建议，可以考虑采用光纤通信的方式，或者对进入箱体的导电通路加装电磁抑制器件的方法等等。

（3）滤波与接地处理

电感、电容、电阻等器件可以组成滤波器，从而有用频带之外的其余成分进行阻止，从而避免它们进入，完成滤波作用。另外，接地处理是将电子设备通过适当的方法和途径与大地连接，即将电源的工作接地、各种装置的金属外壳、铁管外皮和高频电子设备的信号都接到相同的接地装置上。这两种方式都可以有效抑制电磁脉冲对设备带来的影响。

四、结语：

综上所述，根据本文对双极晶体管电磁脉冲损伤机理的研究可以看出，双极晶体管在电磁脉冲下会带来严重的损伤，需要相关人员在对系统的设计时，充分考虑到电磁脉冲的防护措施，以进一步提升系统设备的可靠性能。

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