Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field
The paper presents a model taking into account the time character of heat localization and distribution in semiconductor devices unlike the classical Wunsch-Bell linear model describing the thermal mechanism of EM-radiation action on REA. The classification of action levels is given. The nonlinear...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2004 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2004
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79398 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field / V.I. Chumakov, N.I. Slichenko, A.V. Stolarhuk, A.M. Egorov, Yu.F. Lonin // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 203-205. — Бібліогр.: 8 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859948599305043968 |
|---|---|
| author | Chumakov, V.I. Slichenko, N.I. Stolarhuk, A.V. Egorov, A.M. Lonin, Yu.F. |
| author_facet | Chumakov, V.I. Slichenko, N.I. Stolarhuk, A.V. Egorov, A.M. Lonin, Yu.F. |
| citation_txt | Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field / V.I. Chumakov, N.I. Slichenko, A.V. Stolarhuk, A.M. Egorov, Yu.F. Lonin // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 203-205. — Бібліогр.: 8 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | The paper presents a model taking into account the time character of heat localization and distribution in semiconductor devices unlike the classical Wunsch-Bell linear model describing the thermal mechanism of EM-radiation
action on REA. The classification of action levels is given. The nonlinear model permitting to determine the time
boundary of heat propagation in the semiconductor device is presented. In the time range t>tcr a uniform volumetric
heating of the object takes place, and for t<tcr there is a heat localization in the range of energy release due to the lag
of the heat dissipation process behind the energy input process. Taking this into account one determines the energy
leading to irreversible results of action. The model allows one to determine the feeblest aspects of REA.
В роботі, на відміну від класичної лінійної моделі Вунча-Белла, яка описує тепловий механізм впливу
ЕМ-випромінювання на РЕА, пропонується модель, що враховує часовий характер локалізації та
розповсюдження тепла в напівпровідникових пристроях. Дається класифікація рівнів впливу. Приводиться
нелінійна модель, яка дозволяє враховувати часову межу розподілення тепла в напівпровідникових
пристроях. В масштабі часу t>tкр має місце однорідний об’ємний розігрів об’єкту, а при t<tкр має місце
локалізація тепла внаслідок запізнення процесу тепловідводу від процесу енерговводу в області
енерговиділення. Виходячи з цього визначається енергія, що приводить до незворотних наслідків дії.
Модель дозволяє визначити найбільш слабкі місця РЕА і дозволяє спростити експериментальні
випробування елементної бази РЕА в цілому.
В работе, в отличие от классической линейной модели Вунча-Белла, описывающей тепловой механизм
влияния ЭМ-излучения на РЭА, предлагается модель, учитывающая временной характер локализации и распространения тепла в полупроводниковых приборах. Дается классификация уровней воздействия. Приводится нелинейная модель, которая позволяет определить временную границу распространения тепла в полупроводниковом приборе. В диапазоне времен t>tкр имеет место однородный объемный разогрев объекта, а
при t<tкр происходит локализация тепла в области энерговыделения вследствие запаздывания процесса теплоотвода от процесса энерговвода. Исходя из этого, определяется энергия, приводящая к необратимым результатам воздействия.
Модель позволяет определить наиболее слабые места РЭА и позволяет упростить экспериментальные испытания элементной базы и РЭА в целом.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:15:41Z |
| format | Article |
| fulltext |
SIMULATION OF THE THERMAL MECHANISM IN SEMICONDUC-
TORS UNDER ACTION OF PULSED ELECTROMAGNETIC FIELD
V.I.Chumakov, N.I.Slichenko, A.V.Stolarhuk
KNURE, Kharkov, Ukraine
A.M.Egorov, Yu.F.Lonin
IPENMA, NSC KIPT, 1, Akademicheskaya St., Kharkov, Ukraine
The paper presents a model taking into account the time character of heat localization and distribution in semi-
conductor devices unlike the classical Wunsch-Bell linear model describing the thermal mechanism of EM-radiation
action on REA. The classification of action levels is given. The nonlinear model permitting to determine the time
boundary of heat propagation in the semiconductor device is presented. In the time range t>tcr a uniform volumetric
heating of the object takes place, and for t<tcr there is a heat localization in the range of energy release due to the lag
of the heat dissipation process behind the energy input process. Taking this into account one determines the energy
leading to irreversible results of action. The model allows one to determine the feeblest aspects of REA.
PACS: 61.80.-x
1. INTRODUCTION
Experimental studies of the electromagnetic stability
of radio-electronic apparatus (REA) are concerned with
the methods of destructive control under which in the
objects the irrevercible processes take place that makes
impossible their further use. In some cases the results of
such investigations have a unreasonably high cost. One
of possible ways to reduce the expenses is the mathe-
matical modeling of the processes of failure in REA ele-
ments and components and construction of the experi-
mental device capable to reproduce the acting electro-
magnetic pulse that permits to decrease considerably the
number of experiments [1,2]. In the paper the authors
consider the main aspects of modeling of the thermal
mechanisms taking place in radio-electronic compo-
nents under action of electromagnetic fields (EMF) of a
short duration.
The processes taking place in REA are identical to
the processes of elastic strain: elastic strain– REA fail-
ures occur in the time of pulse action tp; residual strain –
REA failures are much longer than the time of pulse ac-
tion tp “glare”, and catastrophic processes when burning
of REA element occurs.
2. MAIN PART
As is known, to consider the processes taking place
in REA under action of pulsed EMF the classical linear
Wunsch-Bell model (W-B model) is used [2]. It makes
it possible to calculate the threshold power of failure
(TPF) in semiconductor devices at pulses of duration
t≥ 10–8 s. Extension of the time region, for which the lin-
ear thermal model is valid, allowed one to obtain the
general expression for TPF in the form [3]
,
e
PP
ct
tn −
−
=
1
0
(1)
where P0 is the minimum threshold power of failure; tc is
the critical duration of failure pulse.
Parameters of the model P0 and tc have a certain
physical meaning, So, from (1) it follows that Рp—>Р0,
i.e. TPF tends to the value of a minimum threshold pow-
er as the duration of action increases. The value tc has a
meaning of a time constant of thermal process duration
and is the characteristic of the object being affected, i.e.
it shows the time limit beginning from which one
should take into account the time lag (inertia) of thermal
processes. In the range of times t > tc there is a uniform
volumetric heating of the whole object, and for t<tcr
there is a heat localization in the range of energy release
due to the lag of the heat dissipation process behind the
energy input process. The values P0 and tс calculated in
the Sestroretsky model [4] are expressed in terms of the
thermal-physical parameters of the semiconductor:
,
d
STP maxTκπ
8
3
0 = (2)
,
D
LL
C
t
thT
p
c
2
2 ==
κ
ρ
(3)
where Ср, ρ, κт are the thermal capacity, the density and
the heat conduction of semiconductor material, respec-
tively; Тmax is the maximum temperature of the semicon-
ductor overheat at which the loss of physical properties
takes place Generally as Тmax one chooses a melting
temperature of material (for silicon Тmax=1415 С˚).L is
the characteristic size of the energy release region; Dth
is the coefficient of thermal diffusion.
The results of calculations for silicon of [4], lead P0
to the form P0 =2.67 ТmaxS/d [Вт], where S and d are the
cross-section and the length of the semiconductor speci-
men.
The known results of calculations of failure charac-
teristics (constant of failure in semiconductor devices
В1= ρρπ κ CT ) and the results of testing the stability of
REA components are given in table 1 [2,5,6,7].
The time dependences of TPF are given in Fig.1
where the points with the abscissas t=tc are marked with
arrays.
Type of semicon-
ductor device
Value of В1, [kW∙μs0,5∙cm2
Minim
value
Max
va-
lue
Typical
value
___________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SIENCE AND TECHNOLOGY. 2004. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.203-205. 203
Diodes:
rectifier diodes 0.5 20 3
commutating diodes 0.01 1.0 0.1
stabilitrons
point diodes
0.1 10 10
RF 5∙10-4 0.1 0.01
Transistors: 3∙10-4 3∙10-2 3∙10-3
high-power 0,2 0,5 1
low-power 3∙10-3 2 0,1
switching 0,02 0,3 0,1
gerrmanium 0,02 1,0 0,2
IS (input-casing sig-
nal)
3∙10-4 0,2 0,1
Fig.1. Threshold power of action as a function of
the time:
1–P0=1.5 mW; tc=2.5 ms; 2–P0=0.8W; tc=0.125 ms;
3– P0 =10 W; tc=20 nс;
4 – P0; tc =3.33μ s
When calculating the threshold energy of failure by the
pulsed EMF one should take into account that Equation
(1) describes not an instantaneous value but the value of
the threshold power level at different time values neces-
sary for realization of the action effect. Then the energy
Wп is expressed via the product, not the integral, i.e.
,
e
tPW
ct
tn −
−
=
1
0
Dependence of the threshold energy of failure (TEF)
on the time of pulsed EMF action is given in Fig.2. It is
seen that in the region of small times TEF tends to Wп
=P0 tc that is a low energy limit of the thermal model of
failure. However, this value is not absolute energy limit,
as it is known [7.8] that at subnanosecond duration of
actions there begins to develop a nonthermal mecha-
nism of failure the characteristic times of which are con-
siderably less than the time of thermal relaxation of a
semiconductor (for example, the characteristic time of
the nonthermal process can be the change of the dielec-
tric permeability or specific conductivity of material [8].
Fig.2. Dependences of the threshold energy of failure
(4) (parameters corresponds to the plots of fig.1)
3. DISCUSSION OF RESULTS
So, the duration of action t=tc is a critical point of the
choice of a minimum action duration for development
of the thermal mechanism of failure. When the time of
action duration increases, the character of the depen-
dence is determined by the value tc. Thus, for curve 1
and 4 the threshold energy of failure remains almost
constant if t changes by three orders of magnitude.
However, the failure power also increases by three or-
ders with time decreasing (Fig.1, curves 1,4). From this
the important conclusion follows that shortening of the
action duration with simultaneous increase of the power
does not lead to the significant gain in the energy
threshold of failure. At the same time, it is known that
realization of nanosecond ultra-high-power electromag-
netic radiation sources constitutes a rather complicated
engineering problem. So, as an estimation of the time of
required electromagnetic action duration one may con-
sider the value tc. Exceeding of this value leads to the
zone of the constant power of failure.
Intersection of TEF curves in plots 1 and 2 allows
one to determine definitive conclusions on the electro-
magnetic stability of a complicated system.
So, if the dependences in Fig.2 characterize TEF of
elements or components of the system, then the point of
their intersection characterizes the critical value of the
action duration and the value of TEF at which the fail-
ure of some elements can take place, and, consequently,
the failure of the whole system will be more probable.
Note also, that in the case of transition from the time re-
gion on the left from the point of intersection of TEF
curves to the right region, the relation between TEF ele-
ments (compare curves 2 and 3) changes. It is condi-
tioned by the mechanism of the heat conductivity of
structure elements 2 and 3 in the region of large and
small times and by the values of initial TEF at t ≈ 0. On
the left from the intersection point the heat conductivity
has not time yet for compensation of the initial differ-
ence at values W0, even despite some increase of the ac-
tion duration with corresponding PTF decrease in Fig.1.
In transition across the intersection point the heat con-
ductivity becomes the determining mechanism of ener-
gy distribution in the structure of elements, and for fail-
ure of the element 3 characterized by the higher value of
the coefficient of thermal diffusion Dth a higher energy
value is required at one and the same time t.
204
4. CONCLUSIONS
In the paper the problems of modeling the thermal
mechanism of REA failure under the actions of short
electromagnetic pulses are considered. The limiting esti-
mations of the optimum duration of the pulse action
during which failures occur are obtained at radiation
source powers realized. The further shortening of the
action duration and increasing of the action power result
in the development of the nonthermal mechanism of
failure.
REFERENCES
1. D.M.Tasca Pulse power failure modes in semi-
conductors // JEEE Trans. on Nuclear Sci. 1970,
v.NS-17, p.364-372.
2. D.S.Wunsch, R.R.Bell. Determination of thresh-
old failure level of semiconductor diodes and
transistors due to pulse voltage // IEEE Trans. on
Nuclear Sci. 1968, v.NS-15, N6, p.244-259.
3. V.I.Chumakov Methods of modeling the thermal
failures in semiconductor devices // Radio elec-
tronics and informatic. 1999, №2, p.31-37.
4. Microwave devices with semiconductor diodes.
Designing and calculation. Edited by I.V.Malsky
and B.V.Sestroretsky, Sovetskoye radio, 1969,
p.5 80 (in Russian).
5. R.J. Antinone. How to prevent circuit zapping //
IEEE Spectrum. 1987, v.4, N24, p.34-38.
6. L.O.Myrova, A.Z.Chepyzhenko Maintenance of
the communication equipment stability under ac-
tion of ionizing and electromagnetic radiations.-
M-Radio i Svyaz’, 1988, p.296 (in Russian).
7. S.B.Bludov, N.P.Gadetsky, V.I.Chumakov et al.
Generation of high-power rf pulses of ultrashort
duration and their action on the articles of elec-
tronics engineering // Plasma physic. 1994, v.20,
No7,8, p.712-717.
8. D.E.Abdurakhimov, P.N.Bochikashvili,
V.L. Vere-shchagin et al. Action of electromag-
netic rf pulses on the structure of impurity hetero-
geneity in silicon crystals and characteristics of
semiconductor devices // Microelectronics. 1992,
v.21, No 21, p.82-89.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО МЕХАНИЗМА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
В.И.Чумаков, Н.И.Слипченко, А.В.Столярчук, А.М.Егоров, Ю.Ф.Лонин
В работе, в отличие от классической линейной модели Вунча-Белла, описывающей тепловой механизм
влияния ЭМ-излучения на РЭА, предлагается модель, учитывающая временной характер локализации и рас-
пространения тепла в полупроводниковых приборах. Дается классификация уровней воздействия. Приво-
дится нелинейная модель, которая позволяет определить временную границу распространения тепла в полу-
проводниковом приборе. В диапазоне времен t>tкр имеет место однородный объемный разогрев объекта, а
при t<tкр происходит локализация тепла в области энерговыделения вследствие запаздывания процесса теп-
лоотвода от процесса энерговвода. Исходя из этого, определяется энергия, приводящая к необратимым ре-
зультатам воздействия.
Модель позволяет определить наиболее слабые места РЭА и позволяет упростить экспериментальные ис-
пытания элементной базы и РЭА в целом.
МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛОВОГО МЕХАНІЗМУ В НАПІВПРОВІДНИКАХ ПРИ ДІЇ ІМПУЛЬСНИМ
ЕЛЕКТРОМАГНІТНИМ ПОЛЕМ
В.І.Чумаков, М.І.Сліпченко, А.В.Столярчук, О.М.Єгоров, Ю.Ф.Лонін
В роботі, на відміну від класичної лінійної моделі Вунча-Белла, яка описує тепловий механізм впливу
ЕМ-випромінювання на РЕА, пропонується модель, що враховує часовий характер локалізації та
розповсюдження тепла в напівпровідникових пристроях. Дається класифікація рівнів впливу. Приводиться
нелінійна модель, яка дозволяє враховувати часову межу розподілення тепла в напівпровідникових
пристроях. В масштабі часу t>tкр має місце однорідний об’ємний розігрів об’єкту, а при t<tкр має місце
локалізація тепла внаслідок запізнення процесу тепловідводу від процесу енерговводу в області
енерговиділення. Виходячи з цього визначається енергія, що приводить до незворотних наслідків дії.
Модель дозволяє визначити найбільш слабкі місця РЕА і дозволяє спростити експериментальні
випробування елементної бази РЕА в цілому.
___________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SIENCE AND TECHNOLOGY. 2004. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.203-205. 205
SIMULATION OF THE THERMAL MECHANISM IN SEMICONDUCTORS UNDER ACTION OF PULSED ELECTROMAGNETIC FIELD
KNURE, Kharkov, Ukraine
A.M.Egorov, Yu.F.Lonin
In the paper the problems of modeling the thermal mechanism of REA failure under the actions of short electromagnetic pulses are considered. The limiting estimations of the optimum duration of the pulse action during which failures occur are obtained at radiation source powers realized. The further shortening of the action duration and increasing of the action power result in the development of the nonthermal mechanism of failure.
REFERENCES
В.И.Чумаков, Н.И.Слипченко, А.В.Столярчук, А.М.Егоров, Ю.Ф.Лонин
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79398 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T16:15:41Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Chumakov, V.I. Slichenko, N.I. Stolarhuk, A.V. Egorov, A.M. Lonin, Yu.F. 2015-03-31T19:36:15Z 2015-03-31T19:36:15Z 2004 Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field / V.I. Chumakov, N.I. Slichenko, A.V. Stolarhuk, A.M. Egorov, Yu.F. Lonin // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 203-205. — Бібліогр.: 8 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 61.80.-x https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79398 The paper presents a model taking into account the time character of heat localization and distribution in semiconductor devices unlike the classical Wunsch-Bell linear model describing the thermal mechanism of EM-radiation action on REA. The classification of action levels is given. The nonlinear model permitting to determine the time boundary of heat propagation in the semiconductor device is presented. In the time range t>tcr a uniform volumetric heating of the object takes place, and for t<tcr there is a heat localization in the range of energy release due to the lag of the heat dissipation process behind the energy input process. Taking this into account one determines the energy leading to irreversible results of action. The model allows one to determine the feeblest aspects of REA. В роботі, на відміну від класичної лінійної моделі Вунча-Белла, яка описує тепловий механізм впливу ЕМ-випромінювання на РЕА, пропонується модель, що враховує часовий характер локалізації та розповсюдження тепла в напівпровідникових пристроях. Дається класифікація рівнів впливу. Приводиться нелінійна модель, яка дозволяє враховувати часову межу розподілення тепла в напівпровідникових пристроях. В масштабі часу t>tкр має місце однорідний об’ємний розігрів об’єкту, а при t<tкр має місце локалізація тепла внаслідок запізнення процесу тепловідводу від процесу енерговводу в області енерговиділення. Виходячи з цього визначається енергія, що приводить до незворотних наслідків дії. Модель дозволяє визначити найбільш слабкі місця РЕА і дозволяє спростити експериментальні випробування елементної бази РЕА в цілому. В работе, в отличие от классической линейной модели Вунча-Белла, описывающей тепловой механизм влияния ЭМ-излучения на РЭА, предлагается модель, учитывающая временной характер локализации и распространения тепла в полупроводниковых приборах. Дается классификация уровней воздействия. Приводится нелинейная модель, которая позволяет определить временную границу распространения тепла в полупроводниковом приборе. В диапазоне времен t>tкр имеет место однородный объемный разогрев объекта, а при t<tкр происходит локализация тепла в области энерговыделения вследствие запаздывания процесса теплоотвода от процесса энерговвода. Исходя из этого, определяется энергия, приводящая к необратимым результатам воздействия. Модель позволяет определить наиболее слабые места РЭА и позволяет упростить экспериментальные испытания элементной базы и РЭА в целом. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Применение ускоренных пучков Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field Моделювання теплового механізму в напівпровідниках при дії імпульсним електромагнітним полем Моделирование теплового механизма в полупроводниках при воздействии импульсным электромагнитным полем Article published earlier |
| spellingShingle | Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field Chumakov, V.I. Slichenko, N.I. Stolarhuk, A.V. Egorov, A.M. Lonin, Yu.F. Применение ускоренных пучков |
| title | Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field |
| title_alt | Моделювання теплового механізму в напівпровідниках при дії імпульсним електромагнітним полем Моделирование теплового механизма в полупроводниках при воздействии импульсным электромагнитным полем |
| title_full | Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field |
| title_fullStr | Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field |
| title_full_unstemmed | Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field |
| title_short | Simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field |
| title_sort | simulation of the thermal mechanism in semiconductors under action of pulsed electromagnetic field |
| topic | Применение ускоренных пучков |
| topic_facet | Применение ускоренных пучков |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79398 |
| work_keys_str_mv | AT chumakovvi simulationofthethermalmechanisminsemiconductorsunderactionofpulsedelectromagneticfield AT slichenkoni simulationofthethermalmechanisminsemiconductorsunderactionofpulsedelectromagneticfield AT stolarhukav simulationofthethermalmechanisminsemiconductorsunderactionofpulsedelectromagneticfield AT egorovam simulationofthethermalmechanisminsemiconductorsunderactionofpulsedelectromagneticfield AT loninyuf simulationofthethermalmechanisminsemiconductorsunderactionofpulsedelectromagneticfield AT chumakovvi modelûvannâteplovogomehanízmuvnapívprovídnikahpridííímpulʹsnimelektromagnítnimpolem AT slichenkoni modelûvannâteplovogomehanízmuvnapívprovídnikahpridííímpulʹsnimelektromagnítnimpolem AT stolarhukav modelûvannâteplovogomehanízmuvnapívprovídnikahpridííímpulʹsnimelektromagnítnimpolem AT egorovam modelûvannâteplovogomehanízmuvnapívprovídnikahpridííímpulʹsnimelektromagnítnimpolem AT loninyuf modelûvannâteplovogomehanízmuvnapívprovídnikahpridííímpulʹsnimelektromagnítnimpolem AT chumakovvi modelirovanieteplovogomehanizmavpoluprovodnikahprivozdeistviiimpulʹsnymélektromagnitnympolem AT slichenkoni modelirovanieteplovogomehanizmavpoluprovodnikahprivozdeistviiimpulʹsnymélektromagnitnympolem AT stolarhukav modelirovanieteplovogomehanizmavpoluprovodnikahprivozdeistviiimpulʹsnymélektromagnitnympolem AT egorovam modelirovanieteplovogomehanizmavpoluprovodnikahprivozdeistviiimpulʹsnymélektromagnitnympolem AT loninyuf modelirovanieteplovogomehanizmavpoluprovodnikahprivozdeistviiimpulʹsnymélektromagnitnympolem |