半导体硅桥点火器的设计初探 (1997年)

作者从半导体硅桥(SCB)点火的机理出发,得到了实现SCB点火的基本关系式并计算了SCB在熔化、气化过程中与温度无关的比热・作者还对实现SCB点火有关参数的取值进行了讨论.经对关系式的分析及计算证明与实验观测相符,其结果对SCB的设计、制造和应用具有实用价值. ### 半导体硅桥点火器的设计初探 #### 1. SCB点火机理及能量分布 - **热传输机理**: 半导体硅桥(SCB)的点火过程涉及到复杂的热传输机制。当外部脉冲电流施加至SCB两端时，会在电势梯度最大的桥边缘产生放电现象，导致该区域的硅材料迅速气化。这一过程伴随着弱离子化的硅气层形成，以及硅等离子体的进一步加热。这一系列事件共同构成了SCB延时放电(LTD)的过程。 - **能量分布**: SCB工作过程中涉及的能量分布主要包括几个方面： - 向爆破物和衬底的热传导。 - 热辐射。 - 机械振动。 - 爆破物的光激发。 - 气化硅向爆破物材料的渗透。 考虑到SCB工作时典型的作用时间非常短暂（仅数十纳秒），传统意义上的热辐射耦合和热传导难以解释SCB引发的快速点火现象。此外，桥材料气化长度随时间变化的速度远低于音速，这意味着它不足以产生足够的机械振动以点燃爆破物。因此，主要的点火机制被认为是：快速上升的电流脉冲通过SCB时，首先使桥材料气化，随后加热生成的硅等离子体，从而使火药内部充满热硅蒸汽并加热至点火温度。 #### 2. SCB的设计思路 - **几何尺寸的影响**: 桥的质量是影响点火所需最小能量的关键因素之一，而桥的质量主要由其几何尺寸（长度L、宽度W、厚度d）决定。为了实现LTD，所需能量大致等于桥材料的气化热。因此，优化这些几何参数对于减少能量需求至关重要。 - **电学特性的影响**: SCB的工作过程受到其电学特性的显著影响。在熔化、气化及LTD过程中，通过桥电阻R的电流产生的焦耳热提供了所需的能量。为了确保高效能量转换，需要精确控制施加于桥两端的脉冲电流的大小和持续时间。 - **结构参数的选择**: 除了几何尺寸和电学特性之外，SCB的具体结构也会影响其性能。例如，采用多晶硅/SiO2/Si结构可以结合SOS（蓝宝石衬底上的单晶硅）和POLY（单晶硅衬底上的多晶硅）两种结构的优点，提高整体性能。 #### 3. 关键参数分析 - **外加电压和温度的影响**: 实现SCB点火的关键在于确定合适的外加电压和温度条件。这些参数直接影响到SCB的电阻变化、热传导效率以及材料的熔化和气化过程。通过理论分析和实验验证，研究者们得出了与SCB几何尺寸、工艺参数、外加电压和SCB温度相关的近似表达式。 - **比热的计算**: 在SCB熔化和气化过程中，计算出的与温度无关的比热是一个重要的参数。通过对这些比热的计算，可以更准确地评估SCB在不同温度下的能量需求和热稳定性，从而指导SCB的设计和优化。 #### 4. 结论 通过对SCB点火机理的研究，可以得到其实现点火的基本关系式，并通过计算证明这些理论模型与实验观测结果相符。这些研究成果不仅为SCB的设计、制造提供了理论依据，而且对其广泛应用（如高速电子开关、激光脉冲、能量存储和硅等离子体研究等）具有重要的实践意义。通过优化SCB的几何尺寸、电学特性以及结构参数，可以进一步提高其性能，拓宽其应用范围。