单粒子烧毁现象的物理描述

功率MOSFET器件的特点是当其处于开启状态时，能够导通大电流，而当其处于关闭状态时，能够承受高电压。图3-33（a）给出了N沟道功率MOSFET器件一个结构单元的剖面示意图。由于N沟器件的正栅偏压使得栅下P型体区处于反偏状态，这样一来，电子就可以从源区流向漏区。这种DMOS结构会形成一个寄生的双极性晶体管，如图3-33（b）所示，MOSFET器件一个单元区的源区、体区及漏区分别构成了寄生晶体管的发射极、基极和收集极；由于源区和体区的金属连接使得寄生晶体管的基极/发射极结处于短路连接，所以功率MOSFET在正常工作时，寄生晶体管总是处于关闭状态。如果有电流横向流过处于源区（发射极）下面的体区（基极区）时，基极/发射极将处于正偏置，寄生晶体管可能会被打开而处于导通状态。当寄生晶体管处于导通状态而功率MOSFET处于关闭时，就会有瞬态大电流和高电压发生，器件会被击穿或热损坏。

功率MOSFET的单粒子烧毁主要是由于这种寄生晶体管的存在引起的，在图3-34中也给出了带电粒子穿越这种寄生结构时产生的电子-空穴对径迹示意。如第2章分析计算所述，当重离子穿过器件时，其电离产生的电子-空穴对会沿重离子径迹长度方向产生一个等离子体柱。该等离子体柱会形成一个瞬间的电流源，在该电流源内部，空穴经过横向分布的基极区而向上流向源区接地处，而电子则向下流向收集极。这种瞬间的电流源将会初步驱动一个单元中局部寄生的晶体管打开。MOSFET器件内部的这种瞬间电流如果引起正反馈过程，则出现大电流状态的单粒子烧毁。是正反馈式的增加到单粒子烧毁出现，还是熄灭不使器件受损伤，主要取决于寄生晶体管打开的难易程度。这种瞬态电流是否增加形成正反馈还是降低为零，主要取决于与寄生晶体管垂直结构相关的反馈过程。寄生晶体管的反馈机理主要包括四个基本过程：第一，电子从发射极开始注入，通过基极区后被集电极所收集；第二，雪崩过程产生的空穴电流从集电极返回到基极区；第三，随后的横向空穴电流从基极流向源区金属接触处；第四，这种横向空穴电流在基极/发射极间产生电压。如果这种反馈过程形成，那么器件将出现单粒子烧毁现象。

图3-33　功率MOSFET器件结构及其内部寄生晶体管结构

（a）功率MOSFET器件结构示意图；（b）功率MOSFET器件内部寄生晶体管结构示意图

图3-34　功率MOSFET器件结构和带电粒子径迹结构示意图(www.xing528.com)

如第2章的计算分析表明，带电粒子在硅中产生的电子-空穴对径迹可以近似认为是柱体结构，由于其柱状结构的半径一般在微米量级，长度一般为带电粒子的射程，因而重离子诱发的瞬态电流源结构形状可以描述为柱状。其具体结构参数可以由本章的计算分析给出，如对175 MeV（5 MeV/核子）的溴离子而言，其产生的瞬态电流源柱状结构半径约为1 μm，长度约为25 μm。该瞬态电流源的电流大小为：I=qvsNehp，其中q为电子电荷，vs为电子运动饱和速度，Nehp为重离子产生的电子-空穴对密度大小，由本章分析可知，瞬态电流源电流大小与入射重离子LET值的大小成正比关系。综上所述，入射重离子的射程和LET值大小不但决定着其诱发的瞬态电流源结构形状，而且也影响瞬态电流源电流大小。相关试验结果也从某些方面证明了上述分析说明。

综合几种功率MOSFET器件单粒子烧毁模型的特点，比较分析结果表明，单粒子烧毁产生的物理机制主要是：第一，寄生的双极性晶体管（BJT）是MOSFET器件产生单粒子烧毁失效的主要角色；第二，寄生晶体管中的电流大小是影响SEB发生的主要条件；第三，寄生晶体管基极/集电极结区发生雪崩倍增现象是发生SEB的先决条件。