Влияние сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения на электрические параметры биполярных и полевых структур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Левченко, Виктор Николаевич

• Левченко, Виктор Николаевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Левченко, Виктор Николаевич

Введение 4 1. Воздействие импульсных электромагнитных полей на электронные устройства 12 1.1. Влияние мощных импульсных микроволновых помех на полупроводниковые приборы и интегральные схемы

1.1.1 Модели воздействия ИМП. Первичные эффекты

1.1.2 Вторичные эффекты. Вторичный тепловой пробой

1.1.3 Электрическое защелкивание в ИМС

1.1.4 Доминирующие механизмы отказа в полупроводниковых структурах при воздействии ИМП. Диодные структуры

1.1.5 Биполярные транзисторы

1.1.6 Интегральные микросхемы

1.2 Влияние широкополосного и сверхширокополосного импульсного электромагнитного излучения на электронные устройства 27 1.2.1 Основные модели, описывающие взаимодействие электронной аппаратуры с широкополосной импульсной помехой

2 Методика и объекты исследования.

2.1 Схемные решения генераторов СКИ и аттестационные параметры сигнала.

2.1.1 Генератор ГНИ-1 (ТТХ)

2.1.2 Генератор ГНИ - ЗУ (ТТХ)

2.2 Широкополосная коаксиальная нагрузка

2.3 Объекты и методики измерений 62 2.3.1 Биполярные транзисторы и диоды 62 2.3.2. Цифровые и аналоговые микросхемы

2.3.3 Полевые кремниевые СВЧ транзисторы

2П 305Б, КП 305Д, КП 305Е

3. Влияние СКИ ЭМИ на параметры биполярных структур

3.1 Влияние СКИ на параметры и характеристики диодов

3.2 Влияние СКИ ЭМИ на параметры биполярных транзисторов

3.3 Влияние СКИ ЭМИ на биполярные микросхемы

3.3.1. Влияние СКИ ЭМИ на функционирование логических элементов К155JIH-1, изготовленных по биполярной технологии

3.3.2. Исследования воздействия СКИ ЭМИ на малошумящий усилитель на биполярной микросхеме К157УД2 100 4 Исследование воздействия СКИ ЭМИ на полевые структуры 108 4.1 Кремниевые полевые СВЧ транзисторы 2П 305Б, КП 305Д,

КП305Е

4.2. Воздействие СКИ ЭМИ на функционирование микросхем на полевых транзисторах

4.2.1 Влияние СКИ ЭМИ на функционирование логических элементов 74HC04N МДП-технологии

4.2.1.1 Влияние СКИ ЭМИ на функционирование мультивибратора с частотой 500Гц на микросхеме 74HC04N

4.2.1.2 Влияние СКИ ЭМИ на функционирование мультивибратора с частотой 100 кГц на микросхеме 74HC04N

4.2.2 Исследование влияния СКИ ЭМИ на параметры малошумящего усилителя на полевых транзисторах К504УН2А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения на электрические параметры биполярных и полевых структур»

Актуальность темы. Риски, связанные с эффектами нарушения работоспособности электронных схем, простираются от простейших эффектов пробоя в бытовых устройствах до опасных отказов и аварий электронного оборудования. Они проявляются в виде сбоев различного характера в работе электронного оборудования в системах контроля движения, системах связи и системах обороны и могут привести к фатальным последствиям для указанных областей и всей экономики в целом.

В настоящее время подавляющая часть электронных систем, применяемых как в военных и разведывательных целях, так и в устройствах гражданского назначения — системы связи и коммуникации, средства навигации, и т.п. - работает в условиях, в которых она подвержена в той или иной мере воздействию естественного или искусственного излучения. Эти системы при облучении должны в течение определенного заданного промежутка времени сохранять неизменными свои параметры и поддерживать работоспособность.

Однако, при облучении материалов и приборов, составляющих основу элементной базы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в них могут протекать различные процессы, приводящие к временному или постоянному изменению их оптических, электрофизических свойств, включая такие , как генерация электронно-дырочных пар при облучении импульсами микроволнового излучения или фотонов, комптоновское рассеяние, фотоэлектрические процессы, образование Оже-электронов и т.д. Под действием нейтронов могут происходить ядерные превращения, а нейтронно-стимулированные реакции могут приводить к появлению вторичных фотонов и заряженных частиц. Эти процессы приводят к изменению параметров элементной базы и характера функционирования блоков и узлов в РЭА. Кроме того, современное развитие микроэлектронной базы направлено на повышение быстродействия и экономичности электронных устройств, следствием чего является уменьшение размеров активных элементов и толщин слоев в планарных структурах. В результате существенно возрастает роль состояния поверхности и границ раздела разнородных материалов, таких как металл-полупроводник, диэлектрик-полупроводник и полупроводник-полупроводник (разного состава или уровня легирования). При прохождении электромагнитного излучения (ЭМИ) через микроэлектронное устройство значительная часть энергии будет рассеиваться и поглощаться на таких структурных неоднородностях и вызывать изменения их оптических и электрофизических характеристик. В результате это может привести к кратковременному или долговременному изменению в функционировании активного элемента и схемы, параметры которого зависят от физического состояния структурной неоднородности.

Развитие техники генерации электромагнитного излучения привело к созданию источников излучения, позволяющих формировать на выходе очень короткие (< 10"9 с) биполярные и однополярные (видео) импульсы достаточно большой амплитуды ~ 10 В, период следования, которых велик

2 с

10" -т-10" с) по сравнению с длительностью импульса. Взаимодействие таких мощных сверхкоротких импульсов ' (СКИ) электромагнитного * излучения (ЭМИ) с твердотельными структурами, когда времена нарастания и спада фронтов импульса сопоставимы или даже меньше характерных времен релаксационных процессов- в диэлектриках и полупроводниках, могут вызывать изменения различных параметров облучаемых объектов, которые могут носить как временный характер (во-время и после облучения), так и катастрофический.

Экспериментальные исследования1 процессов нестационарного нелинейного преобразования энергии СКИ ЭМИ в энергию отклика1 твердых тел и активных элементов и схем на их основе представляются актуальными.

Сложность построения математического аппарата для адекватного описания процессов взаимодействия сверхкоротких импульсов с различными материалами и структурами приводит к тому, что на данном этапе развития этого научного направления приоритетными являются экспериментальные исследования.

Цель работы: Экспериментальное исследование воздействия мощных наносекундных импульсов электромагнитного излучения на параметры и вольтамперные характеристики биполярных и полевых структур и простейших цифровых и аналоговых микросхем, построенных на их основе.

В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка и создание экспериментального стенда для исследования вольтамперных характеристик биполярных диодов и транзисторов, полевых транзисторов, функционирования аналоговых и логических микросхем при воздействии мощных сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения (СКИ ЭМИ) с обеспечением требований к высокой защищенности внешних измерительных приборов от воздействия СКИ ЭМИ.

2. Исследование электрофизических характеристик биполярных структур при воздействии СКИ ЭМИ и анализ возможных механизмов их изменений.

3. Исследование и анализ перестройки вольтамперных характеристик (ВАХ) полевых транзисторов на структуре металл - диэлектрик -полупроводник (МДП) и определение возможных причин их деградации.

4. Анализ поведения простейших цифровых и аналоговых микросхем, изготовленных по биполярной и МДП - технологиям, при воздействии СКИ ЭМИ с различной энергией в импульсах.

Объекты и методы исследования. В экспериментах по исследованию влияния мощных СКИ ЭМИ на биполярные структуры исследовались стандартные р-п-диоды типа Д 106А, Д 223А и Д 509А, а также маломощные транзисторы различного частотного диапазона КТ 630Б, КТ 3107А, КТ 343Б и КТ 347В. Характер и степень воздействия оценивались по величине обратного тока диодов, обратного коллекторного тока транзисторов и значению коэффициента переноса носителей через базу.

Эксперименты по исследованию влияния СКИ ЭМИ на полевые МДП -транзисторы проводились с серийными 2П 305Б, КП 305Д, КП 305Е. Характер и степень воздействия оценивались по входным и выходным ВАХ транзисторов. Для уточнения роли границы раздела диэлектрик — полупроводник в изменении характеристик транзисторов проводились измерения вольтфарадных характеристик (ВФХ) при воздействии СКИ ЭМИ.

В экспериментах в качестве источников внешнего воздействия использовались генераторы СКИ ЭМИ, задающие биполярные и однополярные импульсы с частотой следования до 100 кГц. Энергия импульсов на выходе генераторов - 2,4х10"4 Дж, 3,5х10~5 Дж. Длительности импульсов и фронтов имели значения 11,5 не и 1,4 - 3,2 не; 10 не и.0,8 - 1,4 не соответственно.

Научная новизна

1. Впервые установлено, что при воздействии СКИ ЭМИ происходит обратимое резкое возрастание (до нескольких порядков) обратного тока р-п-переходов диодов и транзисторов, существенно зависящее от их предельного значения напряжения и обусловленное лавинным размножением горячих носителей.

2. Установлено, что воздействие СКИ ЭМИ приводит к сдвигу входных и выходных ВАХ МДП — транзисторов в результате перестройки параметров границы раздела диэлектрик-полупроводник.

3. Обнаружено, что воздействие СКИ ЭМИ может существенно искажать форму сигнала на выходе биполярного НЧ - усилителя с быстрым восстановлением формы сигнала при выключении воздействия. В МДП НЧ усилителях при воздействии СКИ ЭМИ резко падает амплитуда выходного сигнала, а после выключения воздействия требуется время для восстановления выходного сигнала, зависящее от энергии воздействовавшего СКИ ЭМИ.

4. Обнаружено, что воздействие мощных СКИ ЭМИ на биполярные логические элементы может приводить к повышению скорости их срабатывания из-за роста проводимости запертых р-п-переходов, а при воздействии на логические МДП - схемы наблюдается рост скорости переключения с одновременным увеличением коэффициента заполнения.

5. Показано, что изменения параметров транзисторов и нарушения в функционировании логических и аналоговых микросхем существенно и нелинейным образом зависят от энергии в сверхкоротком импульсе и частоты их следования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Возникновение обратимого пробоя р-п переходов при воздействии мощных СКИ ЭМИ на биполярные структуры.

2. Перестройка вольтамперных характеристик полевых транзисторов в результате увеличения плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник при воздействии мощных наносекундных импульсов.

3. Достаточно длительное время восстановления ВАХ МДП - транзисторов после воздействия, приводящее к увеличению сдвига ВАХ с частотой следования СКИ в диапазоне 102-И05 Гц.

4. Длительный характер восстановления параметров аналоговых МДП - интегральных схем, зависящих от энергии воздействующего наносекундного импульса.

Практическая значимость результатов. Результаты исследований, приведенные в диссертации, могут быть использованы для:

- решения актуальных проблем защиты информационных ресурсов, оценки устойчивости гражданских и других объектов к различного рода электромагнитным воздействиям, как природного, так и искусственного происхождения;

- обеспечения функциональной безопасности информационных и телекоммуникационных систем в рамках антитеррористических программ;

- разработки радиоэлектронных систем, устойчивых к воздействию мощных наносекундных и субнаносекундных импульсов электромагнитного излучения.

Личный вклад автора. Разработка методов исследования и основные экспериментальные данные, включенные в диссертацию, осуществлены и получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы выводы и научные положения, выносимые на защиту.

Апробации работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на:

- XII, XIII Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2006г, 2007г. соответственно;

- 1 Международной конференции «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике», Суздаль, 2005г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ из них 1 статья в реферируемом журнале и 5 работ в трудах конференций, 3 авторских свидетельства и 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 132 страницах машинописного текста, включая 104 рисунка, 3 таблицы и список литературы из 33 наименований.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Левченко, Виктор Николаевич

Заключение и выводы

Результаты экспериментальных исследований влияния СКИ ЭМИ на параметры биполярных и полевых структур и микросхем на их основе показали, что при воздействии мощных сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения происходят значительные обратимые изменения в параметрах этих структур, зависящие от энергии в импульсе и частоты следования СКИ ЭМИ:

1. При воздействии СКИ ЭМИ на биполярные структуры наблюдается резкий рост обратного тока через р-п-переход. Одновременно в транзисторе падает коэффициент переноса носителей через базу.

2. Смещение входных и выходных характеристик кремниевых МДП -транзисторов по оси напряжений и токов.

3. Искажения по форме и уменьшение по амплитуде сигнала на выходе аналогового усилителя, сформированного по биполярной технологии, во время воздействия СКИ ЭМИ.

4. Уменьшение амплитуды, вплоть до выключения, сигнала на выходе аналогового усилителя на полевых транзисторах.

5. Ложные переключения биполярных и полевых логических элементов, вероятность появления которых определяется энергией и частотой следования СКИ ЭМИ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Левченко, Виктор Николаевич, 2008 год

1. Florig H.K. IEEE Spectrum, 1988, March. P.50-53.

2. Шпак В. Г., Яландин М. И., Шунайлов С. А. и др. // Доклады РАН. 1999. №1 с. 50-53.

3. Goldstein В.М., Stettner R. IEEE Trabs., 1979, v. NS-27, N 6. P.5006-5011.

4. Anderson W.T., Simons M., King E.E., Dietrich H.B., Lambert R.J. IEEE Trans., 1982, v. NS-29, N 6, P.1533-1538.

5. Kocot C., Stolter C.A. IEEE Trans., 1982, v.ED-29, N 7, P.1059-1064.

6. О.К.Барановский, П.В.Кучинский, В.М.Лутковский, А.П.Петрунин,

7. Е.Д.Савенок. Физика и техника п/п, 2001, т. 35, № 3. С.352-356.

8. Н.М.Викулин, В.И.Стафеев. Физика полупроводниковых приборов. М.:

9. Советское радио, 1980, 296 с.

10. Wunsch D., Bell R. IEEE Trans. 1968, v. NS-15. N 6. P.244-259.

11. Tasca D.M. IEEE Trans. 1970, v. NS-17. P.364-372.

12. Christou A. Annual Proc. Reliab. Phyeics, 1980, P.140-144.

13. Anand Y. Microwave Journ., March, 1979.

14. Amdory R.A., Puglielly V.G., Richardson R.E. IEEE Trans., 1975, v.EMC-17, N 4, P.216-225.

15. Whalen J.J. IEEE Trans., 1977, v. EMC-19, N 2. P.49-56.

16. Whalen J.J. IEEE Trans., 1975, v. EMC-17, N 1. P.220-225.

17. Larson C.E., Roe J.M. IEEE Trans., 1979, v. EMC-21. November, P.283-290.

18. Jenkins C.R., Durgin D.L. IEEE Trans., 1975, v. NS-22. N 6. P.2404-2409.

19. Технология СБИС. В 2-х кн. Кн.1. Пер. с англ./Под ред. С. Зи. М.: Мир. 1986. 405 с.

20. Bormontov E.N., Lukin S.V., Simulation of C-V curves of MIS structures with nonuniformly distributed surface potential // Proc. Of the 5th International Conference on Simulation of Devices and Technologies. Obninsk. 1996.P.35-39.

21. M.Camp, H.Garbe, D.Nitsch, "Influence of the Technology on the Destruction Effects of Semiconductors by Impact of EMP and UWB Pulses", IEEE EMC, Minneapolis, August 19-23, 2002, pp. 87-92.

22. M. Camp, H. Gerth, and H. Haase, "Predicting the breakdown behaviour of microcontrollers under EMP/UWB impact using a statistical analysis," IEEE Transaction on electromagnetic compatibility, vol. 46, no. 3, pp. 368-379, August 2004.

23. D. Nitsch, M. Camp, F. Sabath, J. Luiken, and H. Garbe, "Susceptibility of some electronic equipment to HPEM threats," IEEE Transaction on electromagnetic compatibility, vol. 46, no. 3, pp. 380-388, August 2004.

24. M. Camp, H. Garbe, D. Nitsch. Influence of the Technology on the Destruction Effects of Semiconducters by Impact of EMP and UWB Pulses. Technical reports of Munchen University, 2004.

25. H. Herlemann, S. Korte, M. Camp, H. Garbe, M. Koch, and F. Sabath. Shielding of Electronic Systems against Transient Electromagnetic Interferences. Advances in Radio Science, 3, 131-135, 2005.

26. R.E. Richardson, "Modeling of low- level rectification RFI in bipolar circuitry," IEEE Transaction on electromagnetic compatibility, vol. 21, no. 4, pp. 307-311, November 1979.

27. C. Lertsirimit, D.R. Jackson, D.R. Wilton, D. Erricolo, and H.Y. Yang, "EMC coupling to a circuit board from a wire penetrating a cavity aperture", 2004 IEEE AP-s International Symposium Digest, Monterey, CA, June 25, 2004.

28. H.Y. David Yang and R. Kollman. Analysis of high-power RF interference on digital circuits. Electromagnetics special issue on RF interference on electronics systems, January, 2006 (pp. 1-16).

29. Требунских С.Ю. Эффекты пробоя воздействия СКИ ЭМИ в биполярных структурах / С.Ю. Требунских, В. Н. Левченко и др.] // Радиолокация, навигация, связь : XIII Международ, науч.-техн. конф., 2007 г. — Воронеж, 2007 .— Т. 2. - С. 1582-1586 .

30. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.,Сов. Радио, 1980

31. Терехов В. А. Влияние сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения на параметры структур металл диэлектрик — полупроводник / В.А. Терехов, В.Н. Левченко, и др.] // ФТП, -2004, -Т 38, №12, -С. 1435-1438.