Einfluss der Struktur auf den thermischen Burnout-Effekt, der durch Mikrowellenimpulse von PIN-Begrenzerdioden hervorgerufen wird

May 24, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 3230 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Positiv-Intrinsisch-Negativ-Begrenzer (PIN) werden häufig verwendet, um empfindliche Komponenten vor Verlustleistung selbst und benachbarter Hochleistungseinspeisung zu schützen. Da die PIN-Diode das Herzstück eines PIN-Begrenzers ist, kann sie durch externe Mikrowellenimpulse durchgebrannt werden. Hier haben wir mithilfe eines von uns entwickelten parallelen Rechenprogramms für Halbleiter-Multiphysikeffekte den Einfluss der Dicke der I-Schicht und des Anodendurchmessers der PIN-Diode auf die maximale Temperaturänderungskurve des PIN-Diodenbegrenzers untersucht. Das Schadensschwellenkriterium in der numerischen Simulation wurde zunächst durch den Vergleich experimenteller Ergebnisse mit Simulationsergebnissen untersucht. Anschließend haben wir den Einfluss der Struktur auf den thermischen Burnout-Effekt bestimmt, der durch Mikrowellenimpulse von PIN-Begrenzerdioden hervorgerufen wird.

Im Front-End eines Radarsystems ist der Positiv-Intrinsisch-Negativ-Begrenzer (PIN) eines der wichtigsten Module, um die rückseitigen empfindlichen Geräte vor Verlustleistung selbst und benachbarter Hochleistungseinspeisung zu schützen1,2,3. Mit der Entwicklung der Pulsleistungstechnologie und der weit verbreiteten Verwendung von Radar wird die elektromagnetische Umgebung, mit der Radarsysteme konfrontiert sind, jedoch immer komplizierter. Externe Mikrowellenimpulse können über die Antenne in die elektronischen Systeme einkoppeln und den PIN-Begrenzer weiter beschädigen3,4,5.

Als Herzstück eines PIN-Begrenzers ist die PIN-Diode ein empfindliches Halbleiterbauelement, das durch die eingespeisten Mikrowellenimpulse durchgebrannt werden kann. Das Durchbrennen der PIN-Diode kann zum Ausfall des Hochfrequenz-Frontends oder sogar des gesamten elektronischen Systems führen6,7. Daher wurden viele Studien zu den Schadenseffekten des Mikrowellenimpulses für den PIN-Begrenzer durchgeführt. Als Hauptursachen für den Burnout-Effekt durch Mikrowellenimpulse der PIN-Dioden werden Verbindungsdurchbrennen, Metallisierungsdurchbrennen und thermischer Zweitdurchbruch angegeben8,9,10,11. Allerdings gibt es nur wenige Veröffentlichungen über den Einfluss der Struktur, insbesondere der I-Schichtdicke und des Anodendurchmessers der PIN-Diode, auf den durch Mikrowellenimpulse induzierten thermischen Ausbrenneffekt.

In dieser Arbeit untersuchten wir mithilfe des JEMS-CDS-Geräts, einem parallelen Rechenprogramm für Halbleiter-Multiphysikeffekte, das Kriterium der Schadensschwelle in der numerischen Simulation durch den Vergleich experimenteller Ergebnisse und Simulationsergebnisse. Anschließend haben wir durch Simulation den Einfluss der Struktur der PIN-Begrenzungsdiode auf den durch den Mikrowellenimpuls verursachten thermischen Burnout-Effekt ermittelt.

Ein typischer PIN-Begrenzer umfasst ein- oder mehrstufige PIN-Dioden. Um Störungen durch andere Faktoren außer der I-Schichtdicke und dem Anodendurchmesser der PIN-Diode, wie z. B. andere PIN-Dioden und komplexe Peripherieschaltungen, zu eliminieren, wird ein einstufiger Begrenzer gewählt, dessen Struktur in Abb. 1 dargestellt ist Ziel der Studie. Der typische Single-PIN-Diodenbegrenzer besteht aus einer PIN-Diode, zwei Gleichstromblockkondensatoren (DC) und einer parallelen Induktivität. Die Induktivität des Parallelinduktors beträgt 40 nH, die DC-Blockkondensatoren haben in dieser Arbeit alle 30 pF und die PIN-Dioden sind vom Modell CLA der Serie, hergestellt von Skyworks12. Die Struktur der PIN-Dioden der Modellreihe CLA, deren Material Silizium ist, ist in Abb. 2 dargestellt. Die PIN-Diode besteht hauptsächlich aus einem dicken Substrat und drei darauf montierten Schichten mit den Bezeichnungen P+, I und N+.

Aufbau des in der Studie verwendeten einstufigen PIN-Diodenbegrenzers.

Aufbau der PIN-Diode der Modellreihe CLA. (a) Draufsicht (b) Seitenansicht.

In unserer numerischen Methodik wird zunächst eine Reihe von Halbleitergleichungen basierend auf dem Drift-Diffusions-Modell13 gelöst, um die transiente Wärmequellenverteilung über der PIN-Diode zu erhalten. Das Drift-Diffusions-Modell umfasst die folgenden Gleichungen.

Poisson-Gleichung

wobei εm die Permittivität des Siliziums ist. φ ist das elektrostatische Potential. q ist die elementare elektronische Ladung. n und p sind die Elektronen- bzw. Lochdichte. ND und NA sind die Dichte von Donoren bzw. Akzeptoren. ρs ist die feste Ladung oder Grenzflächenladung in der Isolierschicht.

Kontinuitätsgleichung

wobei Jn和Jp die Stromdichten von Elektronen bzw. Löchern sind. G und U sind die Elektron-Loch-Erzeugungs- bzw. Rekombinationsraten.

Trägertransportgleichung

wobei μn und μp die Beweglichkeit von Elektronen bzw. Löchern sind. E stellt die Intensität des elektrischen Feldes dar. T ist die Temperatur (K). kb ist die Boltzmann-Konstante.

Wenn Mikrowellenimpulse an die PIN-Diode angelegt werden, wird die zeitabhängige Wärmeleitung Gleichung 14 weiter gelöst, um ihre transiente Temperaturverteilung zu erhalten.

Dabei ist ρ die Dichte (kg/m3), c die spezifische Wärme (J/kg-K), κ die Wärmeleitfähigkeit (W/m–K) und H der Wärmeerzeugungsterm (W/m3).

Die Wärmeerzeugung im Halbleiter wird geschrieben als

Der erste Term auf der rechten Seite der Formel ist die ohmsche Erwärmung, wobei J der Stromdichtevektor und E das elektrische Feld ist. Der zweite Term ist die exotherme und endotherme Wärme, die durch die Rekombination und Erzeugung von Trägern verursacht wird, wobei U die Rekombinationsrate der Träger und G die Ionisierungsrate der Träger ist.

Mit dem Ziel, die Forschungsanforderungen der multiphysikalischen Wirkungsmechanismen von Geräten in einer komplexen elektromagnetischen Umgebung zu erfüllen, wird ein paralleles Rechenprogramm für multiphysikalische Halbleitereffekte, JEMS-CDS-Device, entwickelt. Das Programm basiert auf dem unstrukturierten Grid-Parallel-Framework JAUMIN. Es verwendet die Finite-Volumen-Methode (FVM) zur Diskretisierung und die Newton-Methode, um eine vollständig gekoppelte Lösung des Problems des „elektrischen Trägertransports und der Wärme“ zu erhalten15.

Gemäß der in Abb. 1 gezeigten Mikrostreifenschaltung des Begrenzers wird die Simulationsschaltung des PIN-Begrenzers im Simulator wie in Abb. 3 gezeigt aufgebaut, wobei S die Mikrowellenimpulsquelle und R1 der Innenwiderstand von 50 Ω ist Impulsquelle, L1 und L2 sind die äquivalente Induktivität der PIN-Dioden zum Schweißen von Golddrähten und R2 ist die Lastimpedanz.

Schaltung des PIN-Limiters zur Simulation.

Das Signal, das durch die Einkopplung externer elektromagnetischer Impulse in das Flachbandkabel verursacht wird, ähnelt einem sinusförmigen Spannungssignal mit geringer Dämpfung, das ungefähr als 16 ausgedrückt werden kann

Dabei ist U0 die Amplitude elektromagnetischer Impulse, f die Impulsfrequenz und φ die Anfangsphase. Diese Simulation berücksichtigt nicht den Einfluss der Anfangsphase, daher wird die Anfangsphase auf 0, die Impulsfrequenz auf 3 GHz und die Impulsbreite auf 100 ns eingestellt, was mit den experimentellen Einstellungen übereinstimmt.

Die verwendeten Strukturparameter wurden dem Datenblatt der PIN-Dioden der CLA-Serie12 entnommen und die Dotierstoffprofile durch Halbleiterprozesssimulation extrahiert. Um die Machbarkeit des Analysemodells zu überprüfen, wurden am Beispiel des PIN-Begrenzers CLA4601 die typischen Leistungsmerkmale der PIN-Begrenzer aus Simulationen und experimentellen Messungen verglichen und analysiert. Wie in Abb. 4 dargestellt, werden die Simulationsdaten mit den Testdaten verglichen, beide stimmen sehr gut miteinander überein. Abbildung 5a zeigt die interne Temperaturverteilung des durchgebrannten PIN-Begrenzers CLA4601, die durch Simulation ermittelt wurde. Die höchste Temperatur tritt an der Verbindungskante zwischen den P+- und I-Bereichen des CLA4601 PIN-Begrenzers auf. Daher spekulieren wir, dass, wenn das Gerät durchzubrennen beginnt, die erste verbrannte Position an der Verbindungskante zwischen der P+-Region und der I-Region liegen sollte. Um das analytische Modell weiter zu verifizieren, wurden die durch Mikrowellenimpulse beschädigten Begrenzer-PIN-Dioden mithilfe einer Dual-Beam-Querschnittsanalyse mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB) (FEI Helios 600) physikalisch analysiert. Die Querschnittsansicht der Begrenzer-PIN-Diode ist in Abb. 5b dargestellt. Aus Abb. 5 ist ersichtlich, dass der Ausbrennbereich des Geräts perfekt mit dem Simulationsergebnis übereinstimmt. Daher können die für die Simulation ausgewählten physikalischen Modelle den physikalischen Prozess der Hochleistungsmikrowelleninjektion in die PIN-Begrenzer simulieren, der für eine weitere vorläufige Analyse des Wirkungsmechanismus angewendet werden kann.

Simulations- und Testergebnisse typischer Leistungsmerkmale für die Siliziumbegrenzer CLA4601.

Interne Temperaturverteilung, erhalten durch Simulation (a) und Querschnittsansicht mittels Dual-Beam-FIB-Querschnittsanalyse (b) des ausgebrannten CLA4601-Siliziumbegrenzers.

Die Silizium-Begrenzerdioden der CLA-Serie von Skyworks verfügen über zwei Strukturen: Mesa-Konstruktion und Planar-Konstruktion. In dieser Studie wurden die weit verbreiteten Mesa-Strukturgeräte CLA4601, CLA4602, CLA4604 und CLA4605 für die Wirkungsexperimentforschung ausgewählt. Im Vergleich zu den Simulationsergebnissen sind die Geräteparameter in Tabelle 1 aufgeführt.

Bei der numerischen Simulation des elektromagnetischen Effekts von Mikrowellengeräten wird normalerweise das Kriterium der maximalen Temperatur in einem Halbleitergerät wie der Schmelzpunkt des spezifischen Halbleitermaterials oder der Elektroden verwendet, um ein Durchbrennphänomen in der Simulation zu bestimmen11,17,18,19,20 . Daher werden die Ausbrennleistungsschwellen der PIN-Begrenzer zunächst basierend auf der Spitzentemperatur im Inneren des Geräts simuliert, die den Schmelzpunkt des Materials (Silizium = 1688 K) erreicht, wie in Abb. 6 durch den roten Würfel dargestellt.

Schematische Darstellung des Messsystems zur Untersuchung des thermischen Burnout-Effekts bei PIN-Diodenbegrenzern.

Bemerkenswert ist, dass der Einsatz eines Mikrowellen-Leistungsbegrenzers im Allgemeinen zu einer zusätzlichen Einfügungsdämpfung in einem Empfänger führt, was dessen Rauschzahl erhöht und seinen Dynamikbereich verringert17. Dieser Einfügungsverlust ist ein wichtiger Indikator für die Mikrowellen-Leistungsbegrenzer und kann zur Beurteilung des Schadensgrades von PIN-Begrenzern verwendet werden. Im Wirkungsexperiment wurde als Schadenskriterium die Änderung der Einfügungsdämpfung des Begrenzers von 3 dB verwendet.

Abbildung 6 zeigt das Schema des experimentellen Systems, das in unserer Arbeit zur Untersuchung des thermischen Burnout-Effekts in PIN-Diodenbegrenzern durch Einspeisung von Mikrowellenimpulsen verwendet wurde. Dieses System besteht aus einem selbstgebauten Mikrowellenquellensystem, mehreren Dämpfungsgliedern, einem Richtkoppler, einem Koaxialdetektor (Keysight 8470B) und einem digitalen Oszilloskop (LeCroy WavePro 640Zi). Für unsere Experimente wird vom Mikrowellenquellensystem eine Reihe von Mikrowellenimpulsen erzeugt, die durch Abstimmung des Stufendämpfers schrittweise geändert werden können. Ein selbstgebautes Zeitbereichs-Synchronisationssteuersystem und die Signalquelle (Agilent E8257D) werden zur Steuerung der Impulsbreite und Wiederholungsfrequenz der Mikrowellenimpulse verwendet. Für die Experimente wurden die herkömmlichen Mikrowellenpulsparameter (20 Hz Wiederholfrequenz und 5 s Einwirkungszeit) gewählt. Die durch das Experiment erhaltenen Ergebnisse der Geräteschadensschwelle sind in Tabelle 2 und Abb. 7 durch schwarze Kugel dargestellt.

Simulations- und Versuchsergebnisse für die Siliziumbegrenzer CLA4601, CLA4602, CLA4604 und CLA4605.

Aus Abb. 7 ist ersichtlich, dass die experimentellen Ergebnisse und die Simulationsergebnisse grundsätzlich den gleichen Trend aufweisen. Die Burnout-Leistungsschwellen erhöhen sich mit zunehmender Seriennummer der Begrenzerdioden. Allerdings sind die experimentellen Schwellenwerte offensichtlich größer als die Simulationsergebnisse, und je größer die Dicke der I-Schicht, desto offensichtlicher ist der Unterschied. Wenn die Dicke der I-Schicht 1 μm beträgt, liegt das experimentelle Ergebnis nahe an der Simulationsschwelle und der Unterschied liegt innerhalb von 2 dB. Wenn die Dicke der I-Schicht 2 μm beträgt, liegt das experimentelle Ergebnis weit von der Simulationsschwelle entfernt und der Unterschied beträgt etwa 4 dB. Der Unterschied zwischen den durch Simulation und Experiment ermittelten Burnout-Leistungsschwellenwerten ist so groß, dass er für die praktische Anwendung nicht geeignet ist.

Das obige Phänomen kann durch die inkonsistenten Schadenskriterien verursacht werden. Vorläufige Forschungsergebnisse21 zeigen, dass es nicht korrekt ist, das Kriterium der maximalen Temperatur in einem Halbleiterbauelement als Schmelzpunkt des spezifischen Halbleitermaterials oder der Elektroden festzulegen, um ein Durchbrennphänomen in der Simulation zu bestimmen . Frühere Experimente21 ergaben, dass die I-Schicht des Begrenzers in Längsrichtung grundsätzlich durchgebrannt war, als sich die Einfügedämpfung um 3 dB änderte. Unter Verwendung des Hotspots, der den Schmelzpunkt des Siliziums erreicht und die I-Schicht durchdringt, als Schädigungskriterium wurde die Ausbrennleistungsschwelle der Begrenzer neu simuliert. Die Simulationsergebnisse sind in Abb. 7 mit einem blauen Stern gekennzeichnet. Es ist ersichtlich, dass die Simulationsergebnisse bei Verwendung dieses Geräteschädigungskriteriums näher an den experimentellen Ergebnissen liegen. Wenn die Dicke der I-Schicht 1 μm beträgt, liegt der Unterschied zwischen dem experimentellen Ergebnis und dem Simulationsschwellenwert innerhalb von 1 dB, und wenn die Dicke der I-Schicht 2 μm beträgt, beträgt der Unterschied zwischen dem experimentellen Ergebnis und dem Simulationsschwellenwert etwa 2 dB. Dieses Schadenskriterium ist offensichtlich vernünftiger und genauer, und sowohl der Trend als auch der Schwellenwert stimmen besser mit den experimentellen Ergebnissen überein.

Um den Einfluss der I-Schichtdicke auf die Mikrowellen-Ausbrennleistungsschwelle des PIN-Begrenzers zu untersuchen, sind die anderen Parameter mit Ausnahme der Dicke der I-Schicht dieselben wie die der PIN-Diode CLA4601. Die Schadensschwellen der Geräte basierend auf den beiden Schadenskriterien werden jeweils simuliert, und die Simulationsergebnisse der Beziehung zwischen der I-Schichtdicke und den Ausbrennleistungsschwellen sind in Abb. 8 dargestellt.

Simulationsergebnisse der Beziehung zwischen der I-Schichtdicke und der Ausbrennleistungsschwelle.

Die Simulationsergebnisse, die darauf basieren, dass die maximale Temperatur des Geräts den Schmelzpunkt des Materials erreicht, sind in Abb. 8 durch schwarze Quadrate dargestellt. Die Ausbrennleistungsschwelle nimmt im Allgemeinen mit zunehmender Dicke der I-Schicht ab. Der Grund für dieses Phänomen kann sein, dass mit zunehmender Dicke der I-Schicht der Serienwiderstand der PIN-Diode zunimmt und die an den PIN-Diodenchip gekoppelte Spannung entsprechend zunimmt. Gleichzeitig nimmt mit zunehmender Dicke der I-Schicht die Ladungsspeicherkapazität in der I-Schicht zu. Daher ist die Spitzenleckzeit länger, das heißt, es muss länger dauern, die Ladungsträger in der I-Schicht zu extrahieren, um den Grenzzustand mit niedrigem Widerstand zu erreichen. Daher ist es für die PIN-Diode günstiger, mehr Energie zu absorbieren, um den verbrannten Zustand zu erreichen. Außerdem ist zu beachten, dass sich die auf dem Schmelzpunkt basierende Ausbrennleistungsschwelle mit zunehmender Dicke der I-Schicht nicht wesentlich ändert. Beispielsweise beträgt der Unterschied der Ausbrennleistungsschwelle nur 0,9 dB zwischen der Dicke der 1 μm und 5 μm I-Schichten.

Die Simulationsergebnisse basierend auf der durchgebrannten I-Schicht sind in Abb. 8 durch einen roten Kreis dargestellt. Die Ausbrennleistungsschwelle steigt grundsätzlich mit zunehmender Dicke der I-Schicht, was mit der üblichen Schlussfolgerung übereinstimmt. Die Erhöhung der I-Schichtdicke erhöht die thermische Leistungskapazität der PIN-Diode, sodass mehr Energie zum Verbrennen der I-Schicht erforderlich ist.

Neben der Dicke der I-Schicht ist auch der Anodendurchmesser einer der wichtigen Geräteparameter der PIN-Diode. Obwohl der Anodendurchmesser einer bestimmten PIN-Diode im Werk bestimmt wurde, ist es auch sinnvoll, den Einfluss des Anodendurchmessers auf die Burnout-Leistungsschwelle zu untersuchen und zu verstehen. Um den Einfluss des Anodendurchmessers auf die Mikrowellen-Ausbrennleistungsschwelle des PIN-Begrenzers zu untersuchen, sind die anderen Parameter mit Ausnahme des Anodendurchmessers dieselben wie die der PIN-Diode CLA4601. Die Schadensschwellen der Geräte auf der Grundlage der beiden Schadenskriterien werden jeweils simuliert, und die Simulationsergebnisse der Beziehung zwischen dem Anodendurchmesser und den Ausbrennleistungsschwellen sind in Abb. 9 dargestellt.

Simulationsergebnisse der Beziehung zwischen dem Anodendurchmesser der PIN-Diode und der Burnout-Leistungsschwelle.

Aus Abb. 9 ist ersichtlich, dass der Anodendurchmesser einen deutlicheren Einfluss auf die Burnout-Leistungsschwelle für das Burnout der Mikrowellenimpulsinjektion hat. Der Zusammenhang zwischen dem Anodendurchmesser der PIN-Diode und der Burnout-Leistungsschwelle ist annähernd linear. Der Hauptgrund für dieses Phänomen liegt darin, dass die PIN-Diode mit einem größeren Anodendurchmesser einen größeren dynamischen Bereich (d. h. den lateralen Bereich der drei Schichten P, I und N) aufweist, der die Strom- und Wärmeleistungskapazität der Diode bestimmt Gerät ist höher. Aus Sicht der Leistungsdichte führt der größere Anodendurchmesser zu einer größeren Fläche der Heizscheibe, und die tatsächlich empfangene Mikrowellenimpulsleistung pro Flächeneinheit ist entsprechend geringer, was zu einem höheren Leistungsschwellenwert für das Durchbrennen des Geräts führt.

Zusammenfassend untersuchten wir den Einfluss der Struktur auf den thermischen Burnout-Effekt, der durch Mikrowellenimpulse der PIN-Begrenzerdioden hervorgerufen wird. Wir haben festgestellt, dass die Verwendung der I-Schicht, die von dem heißen Punkt durchdrungen wird, der den Schmelzpunkt des Materials erreicht, als Schadenskriterium deutlich besser ist als das herkömmliche Schmelzpunktkriterium. Sowohl der Trend als auch der Schwellenwert stimmen besser mit den experimentellen Ergebnissen überein. Diese Entdeckung hat wichtige Referenzbedeutung für die Analyse der elektromagnetischen Empfindlichkeit elektronischer Informationssysteme und die Gestaltung des Schutzes und der Verstärkung zugehöriger Komponenten.

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61701461 und 11705172) und dem National Defense Science and Technology Innovation Special Zone Project unterstützt.

Wissenschaft und Technologie im Hochleistungsmikrowellenlabor, Institut für Angewandte Elektronik, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621900, China

Jingtao Zhao, Zhidong Chen, Chaoyang Chen, Zhenguo Zhao, Zhong Liu und Gang Zhao

Schlüssellabor für Wissenschaft und Technologie für komplexe elektromagnetische Umgebungen, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621900, China

Jingtao Zhao, Zhidong Chen, Chaoyang Chen, Zhong Liu und Gang Zhao

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Quanyou Chen

Softwarezentrum für leistungsstarke numerische Simulation, China Academy of Engineering Physics, Peking, 100088, China

Zhenguo Zhao

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JTZ, GZ und CYC haben die Experimente entworfen. JTZ und ZDC führten die Experimente durch. JTZ und ZGZ führten die Simulationen durch. JTZ und QYC analysierten die Daten und verfassten das Hauptmanuskript. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Gang Zhao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhao, J., Chen, Q., Chen, Z. et al. Einfluss der Struktur auf den thermischen Burnout-Effekt, der durch Mikrowellenimpulse von PIN-Begrenzerdioden hervorgerufen wird. Sci Rep 12, 3230 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-07326-w

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Eingegangen: 15. Juni 2021

Angenommen: 11. Februar 2022

Veröffentlicht: 25. Februar 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-07326-w

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