CMOS反相器内部瞬态闩锁效应的脉冲宽度效应理论模型.pdf

第25卷第5期 强 激 光 与 粒 子 束 V01．25，N。．5 LASERANDPARTICI，EBEAMS May，2013 POWER 2013年5月HIGH 文章编号： 1001—4322(2013)05—1200—05 CMOS反相器内部瞬态闩锁效应的 脉冲宽度效应理论模型+ 陈 杰， 杜正伟 (清华大学电子工程系，微波与数字通信技术国家重点实验室，北京100084) 摘要： 从基本半导体物理出发，通过求解载流子连续性方程，建立了能够定量描述引起CMOS反相器 内部瞬态闩锁效应的微波脉冲功率阈值与脉冲宽度关系的解析理论模型。通过与仿真结果以及文献中实验数 据的对比，验证了该理论模型的正确性。该理论模型表明，引起CMOS反相器内部瞬态闩锁效应的微波脉冲 功率阈值首先随着脉冲宽度增加逐渐降低，但是存在一个明显拐点区域，当脉冲宽度超过该区域之后，引起闩 锁效应的功率阈值变化不甚明显。 关键词：微波脉冲；CMOS反相器；闩锁效应；脉冲宽度 中图分类号：TN386．1 文献标志码： A doi：10．3788／HPLP1200 处于低阻导通状态，大电流将由电源流向接地端，导致器件无法正常工作，甚至会由于大电流散热问题，从而导 致器件永久性损坏口]。根据触发端位置的不同，闩锁效应可以分为内部和外部闩锁效应[2]；根据触发源的性 质，闩锁效应又可以分为稳态和瞬态闩锁效应[21；JEDEC标准[31 全球性强制标准，其详细地描述了稳态闩锁效应的测量方法，所有半导体产品必须通过该标准的检验。另一方 面，文献[2，4—5]研究表明，相比较稳态闩锁效应而言，瞬态闩锁效应更加容易触发，并且在日常使用半导体器 中，瞬态闩锁效应所采用的测试波形与JEDEC标准中对稳态闩锁效应测试所规定的波形相同，只是脉冲持续 时间更短，上升时间更快。虽然闩锁效应的危害性在很早就被认识到，并且对其效应建模以及防护做了大量的 研究，但是对于微波脉冲引起闩锁效应的研究则开展较少。微波脉冲是近年来新出现的一种强电磁干扰，可能 所规定的测试波形有明显的区别，因此微波脉冲对CMOS器件的危害，尤其是引起闩锁效应亟待研究。马里 兰大学的Kim等呻1在2008年通过实验首次证明了微波脉冲能够触发闩锁效应，并且研究发现，随着频率升 高，触发闩锁效应所需的脉冲功率增大。电子科技大学的汪海洋等在随后的实验研究中还发现，引起闩锁效应 的脉冲功率阈值随着脉冲宽度增大而减小凹]。文献[2]从基本半导体物理出发，通过求解载流子连续性方程， 建立了适用于外部瞬态闩锁效应的脉冲宽度理论模型。本文将采用文献[2]中提出的方法，针对CMOS反相 器，建立适用于内部瞬态闩锁效应情形的脉冲宽度理论模型。通过与仿真结果以及文献中实验数据的对比，验 证该理论模型的正确性。 1理论模型建立 从其他端注入时的情况，推导过程类似。 通时，电子会从n—MOSFET的源极注人衬底，其中大部分的电子将会和衬底中的空穴复合，但是仍然会有部 分电子被n阱收集，在n阱中形成电流。该电流会通过Rw最终到达电源。如果n阱收集的电子所形成的电流 *收稿日期：2012—08—01；修订日期：2012-10—22 基金项目：国家高技术发展计划项目 作者简介：陈杰(1986一)，男，博士研究生，主要从事计算电磁学和电磁兼容研究；jay．chan09@gmail．corn。 万方数据 第5期 陈杰等：CMOS反相器内部瞬态闩锁效应的脉冲宽度效应理论模型 1201 导致在Rw上的压降足够大，使得Q。的发射极一基极结正 偏，那么Qz就会导通。然而，仅仅导通Q：是无法引起闩 ■ 锁效应的。这就要求Q。的集电极电流足以使得Q，的基 一 S互一D 极一发射