选用35 MeV Si离子, 针对NPN及PNP型双极晶体管(BJT)进行辐照实验, 探究重离子辐照条件下双极晶体管辐射损伤及缺陷在不同发射结偏置条件下的影响规律。通过原位测试不同偏置条件的双极晶体管电流增益等参数随辐照注量的变化关系, 研究了发射结偏置条件对双极晶体管辐射损伤的影响。此外, 采用深能级瞬态谱(DLTS)针对辐照后的双极晶体管进行了测试, 得到了双极晶体管内的辐射缺陷信息。基于电性能测试和DLTS分析结果可以看出, 双极晶体管辐照时所施加的偏置条件能够明显地影响器件的电性能参数和器件内的深能级缺陷浓度, 不同类型的缺陷对于电性能的影响也存在明显差异。

无论氢在电子器件内部以何种形式(H2分子、H原子或H+离子)存在, 均会对电子器件电离损伤产生作用, 进而影响器件的抗辐照能力。本文深入研究了氢气和空气气氛条件下1 MeV电子辐照栅控横向PNP(GLPNP)型双极晶体管的辐射损伤缺陷演化行为。利用Keithley 4200SCS半导体参数测试仪对不同气氛下辐照过程中晶体管进行在线原位电性能参数测试, 研究晶体管电性能退化与电子辐照注量和氢气深度之间的关系; 基于栅扫技术(GS)和深能级瞬态谱技术(DLTS), 研究双极晶体管中氢诱导电离损伤缺陷演化的基本特征。研究表明, 与空气气氛相比, 氢气气氛下电子辐照导致GLPNP的基极电流增加显著, 而集电极电流明显降低, 产生更多的氧化物电荷和界面态, 这些现象均说明氢气加剧双极晶体管的电离辐射损伤。

通过气体放电产生更高浓度的低温等离子体要求具有纳秒上升沿和纳秒脉宽的高重频快脉冲, 而目前被广泛使用的MOSFET和IGBT都无法满足这些参数要求, 而双极结型晶体管(BJT)的集电极与发射极之间的雪崩击穿过程具有快导通、快恢复、高稳定性等优点,适合作为小型Marx发生器的自击穿开关。文中对用多种型号的BJT进行击穿特性比较测试实验, 发现可以通过改变BJT的门极和发射极的并联电阻来调节其雪崩击穿电压, 实现一定范围的工作电压。雪崩击穿恢复特性实验表明, 当击穿电流衰减到低于维持电流时, BJT就会开始恢复绝缘而关断, 通过改变电路中的参数以控制击穿电流的变化就可以控制BJT的雪崩击穿导通时间(即导通脉宽)。将这些结论应用到实际电路中, 可获得上升沿5 ns、脉宽为10 ns、幅值2 kV、重复频率高达100 kHz的纳秒快脉冲, 可用于激发高浓度低温等离子体。

对半导体开关在这种超限条件下的单次使用情况进行了研究,尤其对级联状态多次试验。试验结果显示,额定电流为30 mA的半导体开关可以实现单次放电电流达到10 kA的稳定放电。通过对放电过程进行分析发现,开关从导通至最终损坏经过了一个比较复杂的物理过程,电路拓扑结构及其开关安装位置都将会对输出性能产生影响。

利用时域有限差分法,对双极型晶体管在强电磁脉冲作用下的瞬态响应进行了2维数值模拟,分析了器件烧毁过程中电场、电流密度、温度等参数的分布及变化情况,分别观察了低电压和高电压脉冲作用下烧毁过程中热点的形成过程,并得到了器件烧毁所需时间以及能量与脉冲电压幅度之间的关系.在电压脉冲较低时,烧毁点位于通道中靠近集电极的位置,当脉冲电压达到一定幅度的时候,由于发射极与集电极之间发生雪崩击穿,基极和发射极之间电势会抬高,从而引起基极和发射极之间的击穿,形成新的热点,并在电压幅度约高于100V的情况下会率先达到烧毁温度.随着脉冲电压幅度的增高,晶体管烧毁所需时间呈负指数减少,而所需能量在55～100V之间接近于线性增长,直到电压幅度约高于100V时才开始减少.