автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения на электрические параметры биполярных и полевых структур

На правах рукописи

Левченко Виктор Николаевич

У

^ 00344ЬЬие

ВЛИЯНИЕ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ СТРУКТУР

Специальность 05 27 01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 СЕН 2008

Воронеж - 2008

003446506

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Воронежский государственный универсигет»

Научный руководитель - доктор физико - математических наук,

профессор ТЕРЕХОВ Владимир Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Акулинин Станислав Алексеевич

Ведущая организация - Московский Энергетический Институт (Технический университет) г Москва

Защита состоится 23 сентября 2008 г в 1400 в конференцзале на заседании диссертационного совета Д 212 037 06 Воронежского государственного технического университета по адресу 394026, г Воронеж, Московский лросп, 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан «22» августа 2008 г

доктор технических наук,

профессор Сарычев Валентин Александрович

диссертационного совета

Ученый секретарь

/

ГОРЛОВ МИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

♦ 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 постояшюму 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-полу проводник, диэлектрик-

3

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 (< 109 с) биполярные и однополярные (видео) импульсы достаточно большой амплитуды ~ 103В, период следования которых велик (Ю-2 -10"6 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 исследования процессов нестационарного нелинейного преобразования энергии СКИ ЭМИ в энергию отклика 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

Тема диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных президентом РФ («Противодействие терроризму») Диссертационная работа является частью комплексных исследова-

нии, проводимых на кафедре твердого тела и наноструктур Воронежского государственного университета по госкошракту № 4587

♦ 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, ф> нкционирования 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 анашз 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 н 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 - 2,4x10"* 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 Резкое возрастание обратного тока р-п переходов при воздействии мощных СКИ ЭМИ на биполярные структуры

2 Смещение входных вольтамперных характеристик полевых транзисторов в результате увеличения плотности поверхностных состоянии на границе раздела дголектрик-полупроводник при воздействии мощных наносекундных импульсов

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

4 Нелинейная зависимость появления функциональных нарушений в работе цифровых и аналоговых микросхем от частоты следования и энергии наносекундного импульса

♦ Научные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты, впервые полученные в настоящей работе

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

2 Перестройка вольтампериых характеристик полевых транзисторов в результате увеличения плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник при воздействии мощных наносек>ндных импульсов

3 Достаточно длительное время (10"4-10 5с) восстановления В АХ МДП - транзисторов после воздействия, приводящее к увеличению сдвига ВАХ с частотой следования СКИ в диапазоне I О2— 105 Гц

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

♦ Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на

- XII, XIII Международных научно-техшпеских 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 научных работ, в том числе 1 - в издании рекомендованным ВАК РФ В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат [1-6] - подготовка к эксперименту, [1-6] - получение экспериментальных данных, [1-6] - анализ экспериментальных данных, [7-10] - предложения по использованию

♦ Объем и структура диссертационной работы. 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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

♦ Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту

♦ В первой главе на основе литературных данных дается обзор по влиянию импульсного электромагнитного излучения на полупроводниковые электронные устройства и показан характер отклика некоторых изучаемых объектов при воздействии импульсного микроволнового излучения

В главе рассмотрен материал о нарушениях и выходе из строя элементов полупроводниковой электроники Показано, что эти нарушения связаны с пробоем р-п-перехода или диэлектрического слоя при воздействии мощной импульсной электромагнитной помехи Рассмотренные материалы показывают, что устойчивые нарушения в работе наблюдаются при воздействии импульсной помехи с напряженностью выше 200 кВ/м для устройств, изготовленных по КМОП - технологии и выше 500кВ/м для устройств, изготовленных по биполярной технологии Необратимые нарушения в работе полупроводниковых электронных устройств наблюдаются в полях, превышающих 600 кВ/м

В тоже время, современная полупроводниковая элементная база позволяет создавать генераторы формирующие сверхкороткие импульсы электромагнитного излучения (СКИ ЭМИ), представляющие собой последовательности импульсов с амплитудой > 103 В, длительностью фронтов < 10 9с в диапазоне частот следования от 1 Гц до 1 МГц Электромагнитное излучение с такими параметрами при взаимодействии с твердым телом проявляет целый ряд специфических свойств, позволяющих его использовать для решения новых задач, недоступных для традиционной радиотехники, как в областях стратегического, так и гражданского назначения Однако, вопрос о взаимодействии СКИ ЭМИ с полупроводниковой элементной базой практически не изучен, что обуславливает актуальность данных исследований

♦ Во второй главе описывается разработанный лабораторный измерительный стенд для изучения воздействия СЮ! ЭМИ на полупроводниковые струюу-ры с использованием широкополосной коаксиальной нагрузки (ШКН), которая

предназначена для исключения воздействия СКИ ЭМИ на измерительную аппаратуру. Конструктивно ШКН представляет собой волновод, состоящий из двух проводящих цилиндров, помещенных один в другой и соединенных друг с другом посредством нагрузки (50 Ом) с одной стороны и разъемом СР-50 (для соединения с генератором наносекундных импульсов (ГНИ)) с другой (рис.1).

Рис.1 Изображение измерительного стенда с широкополосной коаксиальной нагрузкой

Во внешнем цилиндре вдоль всей его длины расположено 5 отверстий, закрытых заглушками, которые выполняют роль позиционных окон для размещения тестовых структур. Полость между цилиндрами заполнена материалом, способным поглощать электромагнитное излучение (поглотителем) таким образом, чтобы по мере удаления от источника излучения энергия воздействующего излучения в окнах уменьшалась (Таблица 1).

Таблица 1

Номер окна 1м 2м Зм 1 2 3 4

Кшф. Ослабления, дБ 11,7 10 9,4 9,9 13,1 18,2 21,9

Также в главе приведены схемные решения лабораторных генераторов СКИ ЭМИ, осциллограммы и характеристики сигналов на выходах генераторов и в окнах ШКН. Приведен перечень исследуемых диодов, транзисторов и микросхем (аналоговых и цифровых), сформированных по биполярной и МДП

- технологии, их конструктивные параметры и рабочие характеристики Описаны схемы и методики проводимых экспериментов с исследуемыми полупроводниковыми объектами при воздействии СКИ ЭМИ

♦ В третьей главе представлены экспериментальные результаты влияния СКИ ЭМИ на статические характеристики биполярных диодов и транзисторов

Результаты исследования показали, что независимо от методики измерения вольтамперных характеристик биполярных диодов и транзисторов (с помощью измерителя параметров Л2-76 или при помощи цифровых вольтметров) при воздействии СКИ ЭМИ наблюдается заметный рост обратных токов через р-п-переход, который зависит как от параметров СКИ ЭМИ (энергия в импульсе), так и от предельных рабочих параметров диодов и транзисторов

Рис 2 Обратные ВАХ диода Д 223А -■- без воздействия СКИ,

▲ - при воздействии СКИ с энергией в импульсе Е = 26,1х10"7 Дж, -•- при воздействии СКИ с энергией в импульсе Е = 29,6x10"7 Дж Частота следования СКИ 100 кГц

Из рис 2 видно, что воздействие СКИ ЭМИ с энергией до Е = 29,6x10"7 Дж приводит к росту обратного тока через р-п-переход почти на два порядка Т к цикл измерения постоянного напряжения или тока составляет порядка 10" 'с, а расстояние между воздействующими импульсами порядка 10"5с, то наблюдаемое изменение ВАХ представляет собой усредненное значение тока через р-п-переход при воздействии СКИ ЭМИ

При воздействии СКИ ЭМИ на диоды с меньшим пробивным напряжением и с большей рабочей частотой эффективность воздействия растет Например, для диода КД 509Л при воздействии с энергией Е = 29,6x107 Дж обратный ток увеличивается более чем в 2000 раз

Аналогичный рост обратного тока (коллекторного перехода - 1сЬо) при воздействии СКИ ЭМИ наблюдается и у биполярных транзисторов Особенно заметно увеличение обратного тока коллекторного перехода при воздействии СКИ ЭМИ у маломощных СВЧ трашисторов На рис 3 приведено изменение 1о,0 для транзистора КТ 347В при воздействий СКИ ЭМИ с энергией Е = 29,6x10"7 Дж

16000-1 1400012000. 10000-<

<9 " 8000-О

Г бооо-

Я

—° 400020000-

Рис 3 Обратный ток коллектор-база транзистора КТ 347В -■-без воздействия СКИ ЭМИ,

-•-при воздействии СКИ ЭМИ Е = 29,6x10"7 Дж и частотой следования 100 кГц

Как видно из рисунка в этом случае рост тока при воздействии СКИ ЭМИ может превышать исходное значение более чем на четыре порядка без выхода транзистора из строя Зависимость роста 1сьо от энергии воздействующего импульса ЭМИ представлена на рис 4

г

г

<

—1 >—' 1-г—1 1—'—1 '—'—' '—«

12000-,

-г-

25

10 15 20

ЕМО Дж

30

Рис 4 Зависимость относительного изменения обратного тока коллектора транзистора КТ347В от энергии СКИ 11кб = 5В

Е*10"7, Дж

Рис 5 Зависимости относительного коэффициента передачи тока транзистор КТ347В от энергии СКИ иКэ = 5В

Одновременно с ростом обратного коллекторного тока в биполярных транзисторах при воздействии СКИ ЭМИ наблюдается спад коэффициента передачи Ьг1Е Например, для транзистора КТ347В при воздействии СКИ ЭМИ с Е = 29,6x107 Дж этот спад составляет около 70 % (рис 5)

Анализ изменений ВАХ биполярных диодов и транзисторов при воздействии СКИ ЭМИ показывает, что наиболее вероятным механизмом увеличения обратного тока р-п-перехода является лавинный пробой, т к при очень быстром нарастании внешнего поля (1<10~9 с) происходит эффективное увеличение энергии носителей (без потерь на тепловое рассеяние) и последующее лавинное размножение, характеризующееся коэффициентом умножения тока М=1/10=[ 1 -(У/У проб)0]1

Установленные изменения в работе биполярных диодов и транзисторов приводят к нарушению функционирования логических элементов цифровых интегральных микросхем, сформированных по биполярной технологии При воздействии СКИ ЭМИ наблюдаются ложные срабатывания логики, обусловленные пробоем запертых р-п-переходов

При воздействии СКИ ЭМИ на аналоговые биполярные микросхемы на выходе этих микросхем наблюдается уменьшение амплитуды полезного сигнала с искажением его формы, что обусловлено уменьшением активной области транзисторов и уменьшением их коэффициента усиления

♦ В четвертой главе представлены экспериментальные результаты влияния СКИ ЭМИ на кремниевые МДП - транзисторы и сформированные на их основе цифровые и аналоговые интегральные микросхемы

Показано, что при воздействии СКИ ЭМИ наблюдается рост выходного тока полевых транзисторов типа КП 305 (Б, Д, Е) При этом входная сток-затворная характеристика также смещается в сторону больших токов и значение напряжения отсечки значительно сдвигается в область отрицательных напряжений, и при использованной шкале напряжений отсечки не наблюдается (рис 6)

Рисунок 6 Зависимости тока стока 1си(изи) транзистора 2П 305Д при воз-действ™ СКИ ЭМИ с Е = 1,7x107 Дж и Е = 29,6x10'7 Дж и частотой следования импульсов 1ски = 100 кГц иси = 5В

- ■ -до воздействия,- •- во время воздействия с Е = 1,7x10"7 Дж, -Ж- во время воздействия с Е = 29,6x10"7 Дж, - ♦ -после воздействия

Из рис 6 видно, что при увеличении энергии воздействующего импульса ЭМИ наблюдается рост выходного тока транзистора

Такое поведение ВАХ МДП - транзисторов обусловлено перестройкой границы раздела диэлектрик - полупроводник в МДП - структуре При воздействии СКИ ЭМИ наблюдается затягивание вольтфарадной характеристики и смещение точки инверсии МДП - структуры по оси напряжений, вызванные ростом платности поверхностных состояний на границе раздела

При воздействии СКИ ЭМИ на цифровые МДП - схемы наблюдаются ложные срабатывания логических элементов, частота проявления которых зависит от энергии воздействующего импульса и параметров схемы включения логических элементов Для примера на рис 7 приведены осциллограммы сигналов мультивибратора на микросхеме 74НС04К в отсутствие воздействия и при воздействии СКИ с энергией 12,4x107 Дж

*

* -Лым»*1*

г^П

б

Рис 7 Осциллограммы сигнала мультивибратора на микросхеме 74МС04Ы, х=1мс/дел, у=1В/дел а - исходный сигнал, б - при воздействии СКИ с энергией 12,4x10"7 Дж

Воздействие СКИ ЭМИ на аналоговые микросхемы может приводить к частичной или полной потерей их работоспособности На рис 8 представлены зависимости амплитуды выходного сигнала малошумящего усилителя на микросхеме К 504 УН2А (сформированной на полевых транзисторах) от энергии воздействующих импульсов

возд 1 7*10 Дж возд 3 9*10 7Дж возд 12,4*10 7Дж возд 26,1*10 7Дж возд 25*10 7Дж 80зд 29 6*10 7Дж

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130140150

Ъс

Рис 8 Зависимость амплитуды сигнала на выходе усилителя К504УН2А от времени при включении и выключении воздействия СКИ ЭМИ различных энергий, 1возд=1мин, частота воздействия 100 кГц

Из рис 8 видно, что воздействие СКИ ЭМИ с Е> 3,9x10"7Дж приводит к прекращению функционирования усилителя, которое сохраняется и после снятия воздействия в течение некоторого времени (задержки) Величина времени задержки зависит от энергии воздействия

♦ В заключении II выводах подведены итоги по диссертационной работе в целом и сформулированы основные результаты, которые сводятся к следующему

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

♦ Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 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

Труды и материалы конференций

2 Терехов В А Перестройка статических ВАХ полевых транзисторов под воздействием сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения / В А Терехов, В Н Левченко [и др ] // Труды XII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», -2006, -Т 2, -С 1244-1248

3 Терехов В А Релаксационные явления в кристаллах ТГС в результате воздействия СКИ ЭМИ / В А Терехов, В Н Левченко, [и др ] // Труды XII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь»,-2006,-Т 2,-С 1373-1378

4 Терехов В А Влияние сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения на параметры структур МДП/ В А Терехов, В Н Левченко, [и др ]// Материалы V международной конференции электромеханики, электротехники и электроматериалов -2003, С 105-108

5 Анцев Г В, Левченко В Н Антенна глиптической поляризации для излучения и приема сверхкоротких импульсов/ Г В Анцев , В Н Левченко // Материалы I международной конференции по сверхширокополосным сигна-

17

лам и сверхкоротким импульсам в радиолокации, связи и акустике -2005, С 113-116

6 Требунских С Ю Эффекты пробоя при воздействии СКИ ЭМИ в биполярных структурах /СЮ Требунских, В Н Левченко [и др ] // Радиолокация, навигация, связь XIII Международ науч -техн конф , - 2007 г — Воронеж, 2007 — Т 2 - С 1582-1586

7 Многофункциональная оптиколокационная система Патент РФ №2292566 от 27 01 2007 Прилипко А В , Павлов Н И , Левченко В Н

8 А С 158159 СССР Гуменюк Г А, Метелкин В Н, Левченко В Н 7 04 1981

9 А С 190006 СССР Малахов А И, Егоров А Н , Левченко В Н , Раев А А, Рыжиков О Д , Саламахин А Д 4 07 1983

10 А С 201677 СССР Малахов А И , Егоров А Н , Левченко В Н , Раев А А, Рыжиков О Д, Саламахин А Д 29 03 1984

Подписано в печать 11 07 08 Формат 60x84/16 Уел печ л 1,2 Тираж 100 экз Заказ 1383

Ошеча1ано с юювого оршинал-макета в типографии Издательско-полиграфнческого центра Воронежского юс>дарс1 венного упииерси 1сга 394000, г Воронеж, >л П>шкипская, 3

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

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 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

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.