JFET的HPM及EMP损伤效应和机理分析
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收稿日期：2019 - 01 - 30 ；修回日期：2019 - 05 - 21 基金项目：中国工程物理研究院综合电磁环境科学技术重点实验室开放基金资助项目(2015-0211. XY. K) 作者简介：李赞(1995—)，男，陕西宝鸡人，硕士，主要从事半导体器件的可靠性技术研究。 E-mail： liyun_1995@163. com
第10卷第3期 2019年9月
现代应用物理
MODERN APPLIED PHYSICS
Vol. 10 , No. 3 Sept. 2019
JFET 的 HPM 及 EMP 损伤效应和机理分析
李 赞，柴常春，李 阳，吴 涵，杨银堂
(西安电子科技大学微电子学院,西安710071； 教育部宽禁带半导体材料与器件重点实验室，西安710071)
of Education for Wide Band-Gap Semiconductor Materials andDevices, Xi'an 710071, China)
Abstract: A two-dimensional electrothermal model ofNtype junction field effect transistor (JFET) under electromagnetic interference isest^ablished. The ^ransientbehaviors of the JFET working in saturated regionare simulated and analyzed when high power microwave (HPM) and electromagnetic pulse (EMP) are injected into the gate, respectively. The results show that the peak temperature variation has a periodic rule of “ rising-falling-rising" and the temperature rise occurs in both positive and negative half-periods during the different signal time periods, and there are two burn-out points appearing at the gate and the source when HPM signals are injected into the device. When the device is injected by EMP, the rising rate of peak temperature shows a “ fast, slow and sharp" trend with the increase of
030502- 1
李 赞等：JFET的HPM及EMP损伤效应和机理分析
第3期
time and the vulnerable parts appear below the source ( near the gate), the damage mechanism is similar to that ofHPM injection. Finally, the dependence relations of damage energy and damage power of EMPs and HPMs on pulse-width are obtained in a nanosecond range. It is found that with the same pulse-width, EMP injection requires less energy and power to destroy the device than that ofHPM injection Keywords: JFET; high power microwave; electromagnetic pulse; damageeffect; pulse width effect
随着半导体工艺技术的进步及电磁环境的日益 复杂，集成电路及其元件越来越容易受到电磁脉冲 干扰的影响。电磁脉冲(EMP)和高功率微波 (HPM)最有可能从晶体管的栅极耦合进入电路 ，干 扰甚至破坏器件⑴。在双极晶体管方面，文献 ［2-6］借助2维数值仿真，研究了 EMP信号和 HPM信号对双极晶体管的损伤效应和机理，得到 了信号注入后器件内部的热点位置及烧毁时的能 量、功率随脉宽的变化关系。文献［7-9］分析得到 了不同波形及不同参数的电磁脉冲作用时，半导体 器件的性能退化行为、易损区域、损伤阈值的变化规 律及敏感信号样式等，并提岀了有针对性的加固防 护措施。针对CMOS电路和器件，文献［10-11］通 过实验发现，电磁脉冲干扰会导致反相器岀现位误 差，并传播到下一级电路，造成电路和器件功能紊 乱。目前,JFET已广泛应用于大规模集成电路、功 率器件、低噪声音频放大器及高输入阻抗电路中，研 究人员对JFET的新结构和新材料研究越来越多, 但对其损伤效应和机理的研究相对较少。
摘 要：建立了 N型结场效应晶体管(JFET)在电磁干扰下的2维电热模型，在栅极分别注 入高功率微波(HPM)和强电磁脉冲(EMP)时，对工作在饱和区的JFET晶体管的瞬态响应进 行了仿真分析。结果表明，注入HPM时，器件内部的峰值温度呈周期性的“升高-下降-升高” 变化规律，在信号工作的正、负周期，器件内部峰值温度均呈上升趋势，在器件的栅极和源极出 现了 2个烧毁点；注入EMP时，器件内部峰值温度上升呈“快速-缓慢-急剧”的变化趋势，易损 伤部位出现在源极下方近栅极处，损伤机理与注入HPM时的正半周期损伤机理相似。通过 拟合分析，分别得到了 HPM和EMP注入下，能量损伤阈值和功率损伤阈值随脉宽的变化关 系，并通过比较发现，在相同的脉宽下，注入EMP比注入HPM需要更少的能量和功率就可以 毁伤器件。 关键词：结型场效应晶体管；高功率微波；电磁脉冲；损伤效应；脉宽效应 中图分类号：TN322. 8 文献标志码：A DOI： 10.12061 /. issn. 2095 - 6223. 2019. 030502
Damage Effect and Mechanism of JFET Induced by High Power Microwave and Electromagnetic Pulse
LI Yun, CHAI Chang-chun, LI Yang, WU Han, YANG Yin-tang (School <^f Microelectronics, XCidian University, Xi'an 710071, Cຫໍສະໝຸດ Baiduina; Key laboratory of Ministry
第10卷第3期 2019年9月
现代应用物理
MODERN APPLIED PHYSICS
Vol. 10 , No. 3 Sept. 2019
JFET 的 HPM 及 EMP 损伤效应和机理分析
李 赞，柴常春，李 阳，吴 涵，杨银堂
(西安电子科技大学微电子学院,西安710071； 教育部宽禁带半导体材料与器件重点实验室，西安710071)
of Education for Wide Band-Gap Semiconductor Materials andDevices, Xi'an 710071, China)
Abstract: A two-dimensional electrothermal model ofNtype junction field effect transistor (JFET) under electromagnetic interference isest^ablished. The ^ransientbehaviors of the JFET working in saturated regionare simulated and analyzed when high power microwave (HPM) and electromagnetic pulse (EMP) are injected into the gate, respectively. The results show that the peak temperature variation has a periodic rule of “ rising-falling-rising" and the temperature rise occurs in both positive and negative half-periods during the different signal time periods, and there are two burn-out points appearing at the gate and the source when HPM signals are injected into the device. When the device is injected by EMP, the rising rate of peak temperature shows a “ fast, slow and sharp" trend with the increase of
030502- 1
李 赞等：JFET的HPM及EMP损伤效应和机理分析
第3期
time and the vulnerable parts appear below the source ( near the gate), the damage mechanism is similar to that ofHPM injection. Finally, the dependence relations of damage energy and damage power of EMPs and HPMs on pulse-width are obtained in a nanosecond range. It is found that with the same pulse-width, EMP injection requires less energy and power to destroy the device than that ofHPM injection Keywords: JFET; high power microwave; electromagnetic pulse; damageeffect; pulse width effect
随着半导体工艺技术的进步及电磁环境的日益 复杂，集成电路及其元件越来越容易受到电磁脉冲 干扰的影响。电磁脉冲(EMP)和高功率微波 (HPM)最有可能从晶体管的栅极耦合进入电路 ，干 扰甚至破坏器件⑴。在双极晶体管方面，文献 ［2-6］借助2维数值仿真，研究了 EMP信号和 HPM信号对双极晶体管的损伤效应和机理，得到 了信号注入后器件内部的热点位置及烧毁时的能 量、功率随脉宽的变化关系。文献［7-9］分析得到 了不同波形及不同参数的电磁脉冲作用时，半导体 器件的性能退化行为、易损区域、损伤阈值的变化规 律及敏感信号样式等，并提岀了有针对性的加固防 护措施。针对CMOS电路和器件，文献［10-11］通 过实验发现，电磁脉冲干扰会导致反相器岀现位误 差，并传播到下一级电路，造成电路和器件功能紊 乱。目前,JFET已广泛应用于大规模集成电路、功 率器件、低噪声音频放大器及高输入阻抗电路中，研 究人员对JFET的新结构和新材料研究越来越多, 但对其损伤效应和机理的研究相对较少。
摘 要：建立了 N型结场效应晶体管(JFET)在电磁干扰下的2维电热模型，在栅极分别注 入高功率微波(HPM)和强电磁脉冲(EMP)时，对工作在饱和区的JFET晶体管的瞬态响应进 行了仿真分析。结果表明，注入HPM时，器件内部的峰值温度呈周期性的“升高-下降-升高” 变化规律，在信号工作的正、负周期，器件内部峰值温度均呈上升趋势，在器件的栅极和源极出 现了 2个烧毁点；注入EMP时，器件内部峰值温度上升呈“快速-缓慢-急剧”的变化趋势，易损 伤部位出现在源极下方近栅极处，损伤机理与注入HPM时的正半周期损伤机理相似。通过 拟合分析，分别得到了 HPM和EMP注入下，能量损伤阈值和功率损伤阈值随脉宽的变化关 系，并通过比较发现，在相同的脉宽下，注入EMP比注入HPM需要更少的能量和功率就可以 毁伤器件。 关键词：结型场效应晶体管；高功率微波；电磁脉冲；损伤效应；脉宽效应 中图分类号：TN322. 8 文献标志码：A DOI： 10.12061 /. issn. 2095 - 6223. 2019. 030502
Damage Effect and Mechanism of JFET Induced by High Power Microwave and Electromagnetic Pulse
LI Yun, CHAI Chang-chun, LI Yang, WU Han, YANG Yin-tang (School <^f Microelectronics, XCidian University, Xi'an 710071, Cຫໍສະໝຸດ Baiduina; Key laboratory of Ministry