Генерация и излучение сверхширокополосных импульсных сигналов и их воздействие на элементную базу радиоэлектронных систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Усков Григорий Константинович

ГЕНЕРАЦИЯ И ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЭЛЕМЕНТНУЮ БАЗУ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 9 ДЕК 2013

005544078

Воронеж - 2013

005544078

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет».

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор

БОБРЕШОВ Анатолий Михайлович

Официальные оппоненты: ИЛЬИН Герман Иванович,

доктор технических наук, профессор, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева -КАИ, кафедра радиоэлектронных и квантовых устройств, заведующий;

АЛГАЗИНОВ Эдуард Константинович, доктор физико-математических наук, профессор, Воронежский государственный университет, кафедра информационных систем, заведующий;

РАЗИНЬКОВ Сергей Николаевич,

доктор физико-математических наук, старший

научный сотрудник, Военный

учебно-научный центр Военно-воздушных сил

«Военно-воздушная академия имени

профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина»

(г. Воронеж) МО РФ, ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный

радиотехнический университет» (г. Рязань).

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 1520 на заседании диссертационного совета Д 212.038.10 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская пл., 1, ауд. 428.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета

Автореферат разослан " 2013

Ученый секретарь

диссертационного совета МАРШАКОВ Владимир Кириллович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Проводимые в диссертационной работе исследования, направлены на обеспечение надежности и устойчивого функционирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в условиях импульсных помех и развитие методов генерации и излучения сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности (сверхкороткий импульс).

Применение сверхкоротких импульсов (СКИ) расширяет функциональные возможности существующих радиоэлектронных систем, а также позволяет создавать принципиально новые системы, предназначенные для решения широкого круга научно-технических, военных и социальных проблем. Переход от узкополосных сигналов к нано и субнаносекундным требует решения большого круга фундаментальных задач, связанных с тем, что принципы генерации СКИ, методы их излучения и приема, а также методы обработки сигналов и извлечения из них полезной информации, коренным образом отличаются от используемых в случае узкополосных сигналов. Так, методы формирования узкополосных сигналов основаны на генерации гармонических сигналов и их модуляции, в то время как генератор СКИ формирует видеоимпульсы. Форма сверхкороткого сигнала претерпевает существенные изменения на всех этапах его распространения: при передаче по фидерным трактам, при излучении, распространении в дисперсной среде, при отражении от объекта локации и приеме. Перечисленные особенности настолько существенны и принципиальны, что разработка радиосистем на основе сверхширокополосных импульсных сигналов выливается в самостоятельное научно-техническое направление с собственными методами анализа и нетрадиционными схемотехническими решениями.

В настоящее время существуют публикации, которые посвящены исследованию процессов протекающих в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при генерации СКИ. В ряде работ приводиться физические интерпретации процессов при работе диода в импульсном режиме. Известны работы, в которых предложены математические модели диодов с накоплением заряда и проведено исследование их сходимости. Однако не освещается проблема минимизации «паразитного» заряда в полупроводниковой структуре прибора для улучшения характеристик формируемых импульсов. Процесс накопления этого заряда зависит от режима работы ДНЗ и может существенным образом влиять на процесс восстановления обратного сопротивления, что в свою очередь определяет такие параметры формируемого генератором сигнала, как амплитуда, длительность и максимальная частота следования импульсов. Эти параметры так же зависят и от способа формирования СКИ. На сегодняшний день максимальная частота повторения, которая достигается с использованием известных схем формирователей, составляет сотни килогерц. Для улучшения основных характеристик генератора становится необходимым учет «паразитных» эффектов в ДНЗ.

Излучатели СШП импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности с одной стороны должны обладать минимально возможными размерами, а с другой - обеспечивать приемлемый уровень согласования

генератора и антенны, заданное распределение энергии в пространстве. Невысокая средняя мощность сигнала на выходе существующих малогабаритных формирователей приводит к тому, что эффективная генерация и излучение являются целью при разработке излучателей сверхкоротких импульсов. Проектирование антенны без учета выходных характеристик формирователя не приемлемо, так как оба этих устройства подвержены взаимовлиянию, что сказывается как на форме генерируемого сигнала, так и на характеристиках излучения антенны. Построение совместной схемотехнической модели генератора и антенны представляется необходимым для эффективного излучения сверхкоротких импульсов.

В качестве характеристик излучателей, применяемых в таких системах, обычно рассматриваются энергетические диаграммы направленности, форма поля в заданных точках пространства, уровень согласования между антенной и генератором, или зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты в полосе, перекрывающей спектр. Эти характеристики определяются геометрией антенны и сигналом на выходе формирователя. Можно выделить два пути повышения эффективности излучения сверхкоротких импульсов: оптимизация геометрии антенны, синтез сигнала требуемой формы на выходе генератора.

Так, применение СКИ в импульсных сканирующих антенных решетках имеет особенность, связанную с методом формирования главного лепестка ДН. Вместо фазовых сдвигов для каждого элемента подбирается временная задержка таким образом, чтобы в требуемую точку пространства все сигналы пришли синхронно. При этом энергетическая ДН излучателя определяет возможный диапазон управления положением главного лепестка. Характеристики антенны и генератора, как правило, не позволяют получить сигнал требуемой формы на заданном расстоянии от излучателя. В системах с электронным сканированием пространства может возникнуть необходимость в сохранении формы СКИ в определенном угловом диапазоне на заданном расстоянии от антенны. Наиболее интересным представляется синтез сигнала исходя из характеристик имеющегося генератора без применения дополнительных источников.

Несмотря на наличие большого количества публикаций, посвященных излучающим сверхкороткие импульсы антеннам, вопросы оптимизации энергетических диаграмм направленности (ДН) для конкретного требуемого сигнала и компенсации искажения формы поля на заданном расстоянии от антенны освещены недостаточно.

Усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО), связанное с непрерывным увеличением числа радиоэлектронных средств (РЭС) и загруженностью освоенных диапазонов, влечет за собой возрастание общего уровня электромагнитных помех. Стойкость радиоаппаратуры к импульсным перегрузкам различного вида и происхождения является важнейшим фактором надежности её функционирования. Такие перегрузки могут возникать в результате действия преднамеренных или непреднамеренных помех. Здесь главной проблемой является стойкость полупроводниковых приборов и схем, входящих в состав радиоаппаратуры.

При исследовании мощных импульсных воздействий на сложные радиоэлектронные системы рациональным путем упрощения задачи является выделение в этих системах уязвимых элементов и дальнейшее изучение эффектов воздействия на эти элементы, поскольку именно они определяют поражающее действие импульсных излучений на систему в целом. Наиболее вероятно их действие по радиочастотным трактам. В этих условиях, как и в случае СВЧ-импульсов, одним из основных уязвимых элементов РЭС оказываются транзисторные малошумящие усилители радиочастоты (МШУ) приемников и транзисторы, на основе которых они выполнены. В настоящее время наиболее широкое применение в МШУ нашли арсенид галлиевые полевые транзисторы с затвором Шоттки (ОзАб ПТШ) и транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). В современных РЭС также большую роль играет программное обеспечение для решения задач на всех этапах обработки сигналов. Основным элементом, обеспечивающим функционирование современных цифровых, в том числе вычислительных средств, являются транзисторы, изготовленные по МДП (МОП) технологии. В интересах обеспечения устойчивости функционирования современных систем радиолокации, связи и управления особый интерес представляет исследование влияния импульсных перегрузок на функционирование ОаАэ ПТШ, НЕМТ и полевых МДП-транзисторов. В аппаратуре, имеющей в своем составе большое число взаимодействующих между собой уязвимых элементов, например в цифровых системах, представляют интерес функциональные нарушения, характерные для целых схем и блоков. В связи с этим в работе исследованы эффекты воздействия СКИ на некоторые из базовых цифровых интегральных КМОП схем, входящих в состав большинства цифровых систем.

Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных задач определяет актуальность тематики данной диссертации.

Целью диссертационной работы является развитие методов генерации и излучения сверхширокополосных импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности, а также улучшение характеристик помехоустойчивости приемных и усилительных элементов РЭА, построенных на базе ПТШ, НЕМТ транзисторов и триггеров Шмитта.

Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее целей:

- исследовать процессы, протекающие в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при формировании сверхширокополосных импульсных сигналов;

- разработать модель диода с накоплением заряда, учитывающую выявленные процессы накопления, рассасывания и рекомбинации неосновных носителей в его полупроводниковой структуре;

- разработать методы формирования СКИ, позволяющие улучшить характеристики генераторов и сигналов на их выходе с учетом характеристик излучающих систем;

- исследовать характер поведения ОаАз ПТШ, НЕМТ транзисторы под действием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности;

- разработать методики и автоматизированный измерительный комплекс для исследования воздействия сверхкоротких импульсов нано и субнаносекундной длительности на полевые транзисторы;

- разработать методы отбора электронной элементной базы РЭА по критериям стойкости к импульсным помехам;

- разработать модели, позволяющие учесть воздействие импульсных помех нано и субнаносекундной длительности на полевые транзисторы;

- определить характеристики электромагнитной совместимости, отвечающие сущности воздействия импульсного типа;

- исследовать методы анализа и синтеза сверхширокополосных антенн для повышения эффективности излучения сверхкоротких импульсных сигналов;

- предложить методы компенсации искажений излученного СКИ и синтеза импульсных сигналов произвольной формы на заданном расстоянии от излучателя.

Методы исследования

Для решения задач диссертационной работы использовались экспериментальные и теоретические методы исследований. Разработка экспериментальных методов, макетов и испытательных стендов на их основе является важной частью диссертационной работы. В качестве теоретических методов были использованы методы теории электрических цепей и радиотехнических сигналов, методы оптимизации, методы математического и компьютерного моделирования, физическое моделирование, численные методы расчета и анализа, математический аппарат дифференциальных уравнений.

Научная новизна диссертационной работы определяется развитием методов генерации и излучения сверхширокополосных импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности, а также улучшением характеристик стойкости полупроводниковой элементной базы радиоэлектронных систем при воздействии сверхширокополосных импульсных помех. Научная новизна, в частности, заключается в следующем:

- в работе впервые экспериментально исследованы эффекты обратимой деградации характеристик полевых транзисторов с затвором Шоттки, полевых транзисторов с высокой подвижностью и элементов цифровой КМОП-логики при воздействии импульсных помех нано и субнаносекундной длительности;

- на основе экспериментальных зависимостей выявлены основные физические механизмы, влияющие на степень воздействия сверхширокополосных импульсных сигналов на элементную базу радиоэлектронных систем;

- предложены математические модели, учитывающие эффекты обратимой деградации характеристик полевых транзисторов с затвором Шоттки при воздействии импульсных помех нано и субнаносекундной длительности;

- разработаны методы и критерии отбора элементной базы радиоэлектронных систем устойчивой к воздействию сверхширокополосных импульсных помех нано и субнаносекундной длительности;

- выявлены процессы, влияющие на работу диода при генерации импульсных сигналов, предложены методы формирования СКИ с улучшенными параметрами;

- на основе разработанных моделей диода с накоплением заряда, генератора и антенной системы предложены и исследованы методы компенсации искажений излученных сверхширокополосных импульсных сигналов.

Достоверность научных результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается корректным применением математических методов, соответствием известным фундаментальным теоретическим представлениям и экспериментальным данньм, совпадением новых результатов с известными в частных случаях, соответствием результатов моделирования экспериментальным данным.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований эффектов обратимой деградации при воздействии сверхширокополосных импульсов нано и субнаносекундной длительности на полевые транзисторы и элементы цифровой КМОП-логики;

- физические механизмы обратимой деградации при воздействии сверхширокополосных импульсов нано и субнаносекундной длительности на полевые транзисторы и элементы цифровой КМОП-логики;

- методы и критерии отбора элементной базы радиоэлектронных систем устойчивой к воздействию сверхширокополосных импульсных помех нано и субнаносекундной длительности;

- математические модели, учитывающие эффекты обратимой деградации характеристик полевых транзисторов с затвором Шоттки при воздействии импульсных помех нано и субнаносекундной длительности;

- модель диода с накоплением заряда, результаты теоретического и экспериментального исследования процессов генерации импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности, методы и схемотехнические решения для улучшения параметров генерируемых импульсных сигналов;

- метод компенсации искажений излученного СКИ и синтеза импульсных сигналов произвольной формы в дальней зоне.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы в различных областях радиофизики и полупроводниковой техники, при синтезе генераторов импульсов сверхкороткой длительности, разработке систем связи, в сверхширокополосной радиолокации, при тестировании стойкости полупроводниковых элементов к импульсным перегрузкам, в медицинских системах диагностики и системах радиоэлектронной борьбы. В частности:

- разработанные методика и измерительная установка для исследования воздействия импульсных перегрузок нано и субнаносекундной длительности на элементную базу радиоэлектронных систем могут быть использованы для отбора устойчивых к СКИ типов или экземпляров полевых транзисторов и элементов цифровой логики;

- предложенные модели обратимой деградации и методики определения их параметров позволяют учесть данные эффекты на этапе проектирования радиоаппаратуры;

- результаты исследования процессов, протекающих в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда, и методы минимизации утечек заряда могут быть использованы для улучшения характеристик формирователей сверхширокополосных импульсных сигналов в приемопередающих трактах систем радиолокации и связи;

- результаты исследования процессов излучения сверхширокополосных импульсов и предложенные методы компенсации их искажений могут быть использованы при проектировании активных сканирующих антенных решеток для систем радиолокации и навигации.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии методов радиофизики применительно к задачам излучения и формирования сверхкоротких импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительностей, а также в развитии методов повышения устойчивости работы радиоприемных и цифровых устройств при воздействии СКИ. Новые фундаментальные научные результаты, полученные в диссертации, по мнению автора, в совокупности представляют собой научное достижение, важное для создания новых электродинамических систем и устройств, работающих на основе сверхкоротких импульсных сигналов.

Реализация результатов. Научные результаты, полученные в ходе настоящего диссертационного исследования, были использованы при выполнении научно-исследовательских работ: «Нежин - 2» (Министерство обороны РФ, государственный контракт №54018), «Диффузия-К-ВГУ» (Министерство обороны РФ, государственный контракт № 64019/36-06), «Разработка методов и устройств сверхширокополосной радиолокации биологических объектов с помощью наносекундных и субнаносекундных импульсов» (Грант РФФИ № 08-02-99012р_офи), «Разработка теории и методов генерации, приема, передачи, обработки информации и воздействия на радиоэлектронную аппаратуру с помощью сверхкоротких импульсных сигналов нано и пикосекундной длительности», «Разработка теории и методов сверхширокополосной радиолокации и систем передачи информации с использованием сверхкоротких импульсных сигналов» и «Разработка сверхширокополосных импульсных систем связи для обеспечения помехозащищенного доступа к широкополосным мультимедийным услугам» (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» государственный контракт № П1140, № 14.740.11.1081 и № 14.В37.21.0620), «Исследования физических процессов распространения электромагнитных излучений сверхкоротких импульсных сигналов без несущей, с разработкой и изготовлением макета формирователя сигналов СШП» (ОАО «Концерн «Созвездие» договор №26/10), «Разработка принципов генерации и обнаружения сверхширокополосных сигналов наносекундной длительности» (составная часть НИОКР Министерство обороны РФ «Унификация-Вега-АСС»), «Разработка методов излучения и приема сверхширокополосных импульсных сигналов для систем радиолокации и связи» (грант РФФИ 12-02-31736мол_а), «Разработка методов выявления латентных технологических дефектов полупроводниковой элементной базы

приемопередающей электронной аппаратуры на основе сверхширокополосных импульсных сигналов» (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 годы, государственный контракт № 14.514.11.4079), «Разработка методов передачи информации с помощью сверхширокополосных импульсных сигналов нано - и пикосекундной длительности» (Стипендия Президента РФ молодым ученым и аспирантам, СП-1493.2012.5, приказ № 948 от 21.11.2012г. МИНОБРНАУКИ России).

Апробация работы.

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

-VIII, IX, X, XI, XII, XIII, XIV, XV, XVI, XVII, XVII, XVIII, XIX Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь», Воронеж, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 г., соответственно;

- 6, 7, 8, 9 Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2009, 2011 г. соответственно;

- 20 Международном Цюрихском симпозиуме «Electromagnetic Compatibility», Швейцария, г. Цюрих, 2009 г.;

- 62, 63, 65, 66, 67 Всероссийских конференциях «Научная сессия, посвященная Дню радио», Москва 2007, 2008, 2010, 2011 ,2012 г. соответственно;

- Научно-практической конференции «Связь и телекоммуникации инновационное развитие регионов», Воронеж, 2011;

- 18-й Международной крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 2008г.

- 10-й Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности, г. Санкт-Петербург, 2008 г.;

- Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные исследования и разработки в области информационных технологий и связи», г. Воронеж, 2012 г.;

- 9 Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», Казань, 2008;

- VI, VII, VIII, X, XI Международных научно - технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов», Казань, 2007 г., Самара, 2008 г., Санкт-Петербург, 2009 г., Самара, 2011 г. Екатеринбург, 2012 г. соответственно;

- 10-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», г.Дивноморское, 2006 г;

- научных сессиях Воронежского государственного университета, г. Воронеж, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006,2007,2008, 2009, 2010, 2011,2012 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 95 печатных работ, из них 27 статей опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций

основных научных результатов на соискание ученой степени доктора наук, получен 1 патент на изобретение, 2 свидетельства о регистрации программы.

Личный вклад автора

Все результаты, сформулированные в положениях, выносимых на защиту, и составляющих научную новизну работы, получены Усковым Г.К. лично. В статьях и докладах, написанных в соавторстве, соискателю принадлежат постановка задач, выбор методов их решения, разработка математических моделей, проведение математического моделирования, разработка экспериментальных образцов, постановка и проведение экспериментальных исследований, анализ и интерпретация полученных результатов, разработка методик и алгоритмов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 275 наименований. Объем диссертации составляет 386 страниц, число рисунков

- 197, таблиц - 6.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко освещено современное состояние исследований по теме диссертации и обоснована ее актуальность. Сформулированы цель и задачи работы, отмечены методы исследования, научная новизна, достоверность научных результатов, практическая значимость, реализация и апробация полученных результатов, а также обоснованность научных положений и выводов. Охарактеризованы публикации по теме диссертации и личный вклад автора, сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание работы.

Первая глава диссертации посвящена решению проблемы надежности функционирования ПТШ в условиях действия импульсных помех нано и субнано-секундной длительности.

Показано, что помехи в виде сверхкоротких импульсов могут воздействовать на транзисторы в составе радиоаппаратуры двумя путями:

- через антенный тракт вместе с полезным сигналом; Такой путь воздействия для СКИ является весьма вероятным, поскольку спектр таких импульсов лежит в СВЧ-диапазоне и может оказаться в пределах рабочего диапазона радиочастотных трактов;

- в виде наводок, создаваемых в цепях СВЧ-устройств на выводах полупроводниковых элементов, полосках печатных плат, проводах помеховым излучением, проникающим в радиоаппаратуру через технологические щели, отверстия, цепи питания, кабели и т.д. Такой путь воздействия СКИ является менее вероятным.

Для выявления эффектов воздействия СКИ на ПТШ были проведены экспериментальные исследования. На вход малошумящего усилителя выполненного на

основе ОаАв ПТШ подавались положительные и отрицательные импульсы нано и субнаносекундной длительностей. В эксперименте измерялось значение тока стока, который, как известно, является универсальным показателем для ПТШ, связанным с его основными функциональными СВЧ-параметрами такими, как коэффициент усиления и коэффициент шума. Было показано, что существенные эффекты деградации проявляются при воздействии сверхкоротких импульсов отрицательной полярности, амплитуда которых по модулю превышает напряжение отсечки транзистора. Процесс временной деградации тока стока ПТШ проиллюстрирован на рис. 1.

к ^аксп '

и.

'зо

к к к к к к < 6

К

'стО

Г

о

Рис. 1. Развитие деградации ПТШ под действием периодических СКИ отрицательной полярности: а - импульсы генератора СКИ; б - импульсы на затворе ПТШ; в - ток стока.

После запуска последовательности СКИ с периодом 7И каждый сверхкороткий импульс приводит к последовательному снижению величины тока стока /ст, что означает наличие кумулятивного эффекта, который заключается в суммировании результатов воздействия отдельных импульсов. Общее уменьшение за время экспозиции Гэксп величины /сх значительно превышает изменение тока стока в результате действия отдельного импульса. Во время воздействия импульсной последовательности среднее значение величины /ст, уменьшается и стремиться к некоторому стационарному значению, которое зависит от периода следования импульсов и их амплитуды. Такое стационарное значение достигается при определенной продолжительности последовательности СКИ. После завершения серии происходит медленное восстановление /ст до исходного значения /сто.

Рис. 2. Осциллограммы тока стока, полученные при одной и той же амплитуде импульсов и времени экспозиции Тэкс„ = 5 с при различных значениях периода следования импульсов Ти: а — Ти = 10 мс; б - Ти = 1 мс; в — Т„ = 0.1 мс; г-Ти = 0.01 мс.

В экспериментах наблюдался эффект при котором происходило сложение результатов воздействия отдельных импульсов (кумулятивный эффект). На рис. 2 показаны осциллограммы тока стока транзистора ЗГО25А-2 при воздействии последовательности отрицательных СКИ длительностью на полувысоте 250ис. Начало воздействия соответствует времени 1с. Для интерпретации наблюдаемых в эксперименте процессов нужно учесть тот факт, что из-за наличия в схеме экспериментальной установки реактивных элементов, каждый импульс создает переходной процесс, поэтому СКИ на входе транзистора сопровождается положительным

' ИОССТ'

3500

.с

3000 2500 2000 1500 1000 500

откликом с микросекунднои длительностью и не является чисто отрицательным. Такой отклик повторяется током стока, искажая картину релаксации в межимпульсные промежутки. После прекращения воздействия (6с на рис.2) ток стока медленно восстанавливается до исходного значения. Процессы релаксации тока стока транзистора наблюдающиеся в экспериментах состоят из быстрой и медленной стадий, описываемых функциями близкими к экспоненциальным, а время восстановления зависит от энергетических параметров воздействия и может составлять десятки минут и даже достигать величины порядка часа (рис. 3).

В работе показано, что в основе деградации ПТШ лежит влияние воздействия СКИ на толщину слоя объемного заряда (СОЗ) в канале на его границе с подложкой. При воздействии СКИ отрицательной полярности на вход ПТШ условия для перезарядки глубоких

::ц щ

гф-:

/ ' /

Л

-20

-15

-10 -5 О

У0, дБ/45е

Рис. 3. Зависимость времени восстановления тока стока Ттсст после окончания действия серии импульсов от амплитуды импульсов К0 и периода их следования Ти при экспозиции 10 с: а — Тк = 10 мс; б - ТИ = 0.1 мс; в - ТИ = 0.01 мс.

уровней подложки возникают, когда часть напряжения этих импульсов падает на области СОЗ. Аналогичные условия имеют место на отрицательной полуволне мощного СВЧ-сигнала. Физические механизмы, действующие при подобном воздействии, аналогичны механизмам известного для ПТШ эффекта обратного управления по подложке (Ьаск£а1т£). Каждый импульс приводит к возрастанию толщины СОЗ и уменьшению проводимости канала. Время послеперегрузочного восстановления проводимости соответствует времени релаксации заряда на глубоких уровнях подложки и может иметь разные значения, не превышающие, однако, нескольких секунд. Действие периодических импульсов обладает кумулятивным свойством, имеющим большое значение в случае коротких и сверхкоротких импульсов.

Вследствие кумулятивного эффекта деградация ПТШ под действием серии импульсов может быть гораздо значительней деградации, вызванной одиночньм импульсом. Описанный механизм обратимой деградации является основным при импульсных напряжениях, величина которых недостаточна для наступления пробоя в транзисторной структуре. В случае воздействия на затвор ПТШ СКИ обратной полярности, амплитуда которых превышает напряжение пробоя, также наблюдается обратимая деградация ПТШ с временем восстановления, значительно превышающим время восстановления в случае более низких амплитуд СКИ. Механизм такой длительной деградации связан с поверхностными состояниями ОаАв. В обычных условиях, при достаточно длительных воздействиях, пробой приводит к необратимым отказам ПТШ. При этом лавинный пробой может возникнуть в областях высокой напряженности электрического поля, в частности, в промежутках затвор-сток и затвор-исток. Вследствие того, что лавинный пробой развивается в течение конечного субнаносекундного промежутка времени, в случае сверхкоротких воздействий сравнимой или меньшей длительности (СКИ или отрицательная полуволна СВЧ-сигнала) процесс лавинного размножения носителей в большом диапазоне действующих напряжений не успевает завершиться необратимыми изменениями в транзисторной структуре. При этом в области лавинного размножения носителей у поверхности ОаАв в промежутка? затвор-сток или затвор-исток генерируется большое число свободных носителей, которые захватываются на поверхностные состояния, увеличивая поверхностный отрицательный заряд, который модулирует толщину

затвор

Рис. 4. Объемный заряд в ПТШ после окончания импульса.

канала в сторону ее уменьшения. Этот процесс можно представить как расширение подзатворной обедненной области ПТШ в направлении к стоку или истоку, как показано на рис. 4. Поскольку существуют поверхностные состояния ОаАэ, время жизни носителей на которых велико, деградация проводимости канала, связанная с этим механизмом, может быть весьма длительной. С рассмотренными эффектами границы канал-диэлектрик может быть связана наблюдаемая в описанном ниже эксперименте обратимая деградация ПТШ с временем восстановления порядка десятков минут.

Для интерпритации экспериментальных результатов была предложена физическая модель ОаАз ПТШ для расчета объёмного заряда в полуизолирующей подложке, представленная на рис. 5. Сток и исток образуют с активным слоем омические контакты, затвор - контакт Шоттки. Электрофизические свойства компенсированного полуизолирующего ОаАэ наиболее адекватно описываются четырехуровневой моделью, включающей в себя мелкие доноры и акцепторы, образованные остаточными примесями, с концентрациями N0 и Л'д соответственно, а также глубокие доноры и акцепторы. Роль глубоких доноров играют центры типа ЕЬ2, присущие любому материалу ОаАБ. При (Л'о - NA) > О, что для объемного ОаАя реализуется в большинстве случаев, компенсирующую

5.15

< 1 > (°-61!< 1 i

исток

L

0.15 мкм

М>-210 "а

„сток

Х,мкм

Полуизолирующ{|Я полложка GaAd

EL2 Сг

№

\п

Рис. 5. Двумерная модель GaAs ПТШ. роль играют глубокие акцепторы в виде примеси Сг.

Рассчитанные по модели зависимости тока стока от времени для различных концентраций хрома при фиксированной концентрации уровней EL2 показали, что время восстановления тока стока при изменении концентрации Сг на 20% отличается почти в 2 раза. Большей концентрации Сг соответствует более длительное восстановление. Для различных концентраций EL2, при фиксированной концентрации Сг наблюдалась обратная зависимость: большей концентрации EL2 соответствует меньшее время восстановления. Значения времени восстановления транзистора при изменении концентрации EL2 на 20% отличается примерно в 1.5 раза. Результаты моделирования хорошо согласуются с наблюдаемыми в экспериментах характеристиками для образцов транзисторов, выполненных на различных пластинах GaAs.

Для учета выявленных эффектов обратимой деградации в системах автоматизированного проектирования в работе была предложена математическая модель ПТШ, учитывающая процессы обратимой деградации при воздействии СКИ. В эквивалентную схему транзистора был добавлен дополнительный блок, подключенный к затвору, который имитирует процессы в канале ПТШ при воздействии серии СКИ, за счет добавочного напряжения затвор-исток. При определении структуры дополнительного блока учитывались закономерности, характерные для экспериментальных зависимостей. Для описания воздействия

импульсов были использованы ветви модели Хамерштейна совместно с дополнительным нелинейным блоком на выходе.

Поскольку в рамках решения традиционной проблемы ЭМС отсутствуют характеристики оценки степени обратимой деградации, в работе был предложен новый параметр - коэффициент обратимой деградации, позволяющий производить количественную оценку данного эффекта:

ку\гт=о

где 0 - коэффициент усиления в отсутствие помехи, ^-коэффи-

циент усиления в присутствие СШП импульсной помехи. По аналогии с блокированием минимально допустимым значением для ^,(0 предложено считать Кддоп = —3 с1В _ Ддя оценки степени деградации можно использовать время отказа, т.е. время в течение которого Кд{$)<—Ъс1В. По аналогии с верхней границей динамического диапазона по блокированию для непрерывной помехи можно определить верхнюю границу динамического диапазона по обратимой деградации Роя, т.е. мощность помехи (последовательности СКИ), при которой коэффициент обратимой деградации равен -ЗдБ.

Во второй главе диссертации приведены результаты исследований воздействия последовательностей СКИ на транзисторы с высокой подвижностью электронов, МОП-транзисторы и элементы КМОП-логики.

Целью проводимых измерений являлось определение зависимости характеристик обратимой деградации НЕМТ от амплитуды и периода следования СКИ, в качестве которых рассматривалась величина изменения тока стока после прекращения воздействия импульсов и время его восстановления до исходного значения.

Типичная временная зависимость тока стока, наблюдаемого в эксперименте, представлена на рис 6. Воздействие на вход усилителя на рис а. Временная диаграмма среднего НЕМТ последовательности значения тока стока НЕМТ при СКИ отрицательной полярности воздействии на вход отрицательных приводит к уменьшению тока импульсов амплитудой 14,23В периодом стока во время воздействия следования 0,1 мс. Тмпд. После прекращения воз-

1ст, мА

действия течение нескольких секунд происходит восстановление тока стока до 99% от первоначального значения. Для полного восстановления тока необходимо значительно большее время.

На рис. 7 приведены зависимости отношения тока стока в момент окончания воздействия (1ст) к значению тока стока до воздействия (1сМ) и времени восстановления тока стока до 99% от для импульсов с различной амплитудой и периодом следования. Уменьшение периода следования импульсов приводит к увеличению величины падения тока стока, что связано с увеличением количества импульсов в серии при той же длительности. Рост амплитуды СКИ так же приводит к увеличению падению тока стока. При этом время восстановления увеличивается как при росте амплитуды, так и при уменьшении периода следования импульсов.

|стЛстО Твосст

Амплитуда воздействия, В

Рис. 7. Зависимость среднего значения тока стока НЕМТ и времени восстановления относительно исходного от амплитуды воздействия и периода следования импульсов.

Работа НЕМТ транзистора во многом аналогична ПТШ, но так же имеет ряд отличий, которые надо учитывать при исследовании воздействия СКИ. НЕМТ транзистор представляет собой нанесённый на полуизолирующую подложку слой полупроводника с узкой запрещённой зоной, над которьм располагается тонкий нелегированный слой широкозонного полупроводника и затем донорный слой сильнолегированного широкозонного полупроводника. На последнем слое размещаются контакты истока, затвора и стока. На границе гетероперехода между полупроводниками с разной шириной запрещённой зоны для электронов существует потенциальная яма со стороны узкозонного полупроводника, что приводит к образованию тонкого канала с высокой концентрацией электронов. При этом подвижность электронов в канале увеличивается за счёт уменьшения рассеяния на породивших их примесных центрах, расположенных в донорном слое. Качественное изменение характера движения электронов в канале происходит при ширине

потенциальной ямы порядка длины волны Де Бройля (~30нм при комнатной температуре для Сд/).?). Тогда спектр энергии электронов в потенциальной яме распадается на дискретные уровни и движение электронов поперёк ямы уже нельзя рассматривать как движение классической частицы. В этом случае электроны способны перемещаться только вдоль канала, и их подвижность увеличивается за счёт отсутствия рассеяния на стенках потенциальной ямы.

Для моделирования влияния СКИ на работу транзистора была выбрана двумерная физическая модель одноканального НЕМТ. Свойства полуизолирующей подложки описывались с помощью четырёхуровневой модели, аналогичной используемой для ПТШ. Было проведено моделирования воздействия перепада напряжения, соответствующего амплитуде импульсной помехи, на затвор транзистора. Напряжение на стоке не менялось и равнялось 2 В. Величина перепада напряжения, подаваемого на затвор, менялась от -0,2 В до -15 В. При моделировании рассчитывалась зависимость нижней границы зоны проводимости от глубины в подзатворной области транзистора для воздействия с амплитудой 0,2 В, I В и 5 В. При малом напряжении глубина потенциальной ямы составляет 0,8 эВ, при увеличении до 1 В происходит её уменьшение до 0,54 эВ и расширение на 0,02 мкм. Дальнейшее увеличение амплитуды до 5 В приводит к расширению потенциальной ямы до величины 0,3 мкм и уменьшению её глубины до 0,2 эВ.

Используя рассчитанные при моделировании степени заполнения глубоких уровней захваченными носителями определялась зависимость плотности объёмного заряда в подложке от амплитуды воздействия (рис.8). В области, граничащей с каналом существует отрицательный объёмный заряд плотностью 4000 Кл/м2. При малых воздействиях глубина его распространения составляет 0,35мкм. С увеличе-нем амплитуды до 1 В изменение потенциального барьера между затвором и подложкой ещё недостаточно для заряда глубоких уровней. При амплитуде воздействия 5 В область объёмного заряда расширяется до 0,5 мкм, а при 15 В до 0,65 мкм.

Полученные экспериментальные данные и результаты моделирования позволяют сделать вывод, что причиной обратимых отказов НЕМТ транзисторов под действием СКИ является накопление отрицательного объёмного заряда в подложке на границе с буферным слоем. Образование рис $ Объёмный заряд в подзатворной об-объёмного заряда происходит ласти НЕМТ при различной амплитуде из-за захвата носителей на глу- ВХОДного-воздействия, бокие уровни примесей в

ц, Кл/м"'

-2000 -2500 -3000 -3500 -4000 -4500

¡'.II / X/

1 1 : 1 Г {

.....1! ' 1' ' У/ ./'

5

мкм

-0,2В

-1В

-5В

-15В

полуизолирующей подложке при воздействии на затвор импульсов отрицательной полярности с амплитудой большей, чем напряжение отсечки. При этом исчезает потенциальный барьер между подложкой и областью канала, что делает возможным протекание дырочного тока из подложки в затвор и инжекция электронов из области канала в подложку. Создаваемое объёмным зарядом поле снижает концентрацию электронов в канале, что приводит к уменьшению тока стока транзистора до тех пор, пока не восстановится первоначальное распределение зарядов в подложке, на что требуется несколько десятков секунд. Кроме того, в НЕМТ транзисторе происходит смещение канала из буферной области к подложке, сопровождающееся изменением ширины и глубины потенциальной ямы для электронов. Этот эффект уменьшает не только концентрацию электронов в канале, но и сильно снижает подвижность электронов и, следовательно, ухудшает частотные характеристики транзистора.

Аналогичная методика эксперимента была использована при исследовании воздействия СКИ на МОП-транзисторы. Эксперименты проводились с КП313А со встроенным каналом п-типа. Было установлено, что под действием сверхкоротких импульсов как положительной, так и отрицательной полярностей происходит открывание МОП-транзисторов. Под действием СКИ сначала проводимость канала резко возрастает за время не более 10 не, затем остаётся практически неизменной в течение (5^70) не в зависимости от амплитуды импульсной помехи, далее следует медленное восстановление тока стока до нулевого значения за время от 135 не до 935 не. Быстрое открывание объясняется резким фронтом СКИ и большой амплитудой, а медленное закрывание - рассасыванием заряда неосновных носителей инверсионного слоя канала, заряда граничного слоя 81-8Ю2, который обусловлен наличием поверхностных состояний или ловушек интерфейса, и объёмного заряда диэлектрика 8Ю2, обусловленного наличием дефектов (ловушек) диэлектрика. Для ловушек свойственна медленная релаксация заряда, и заряд в глубине диэлектрика сохраняется дольше по сравнению с зарядом у интерфейса. Отрицательные импульсы могут открывать транзистор только за счёт образования положительного заряда на ловушках донорного типа в слое двуокиси кремния. Такие ловушки всегда присутствуют на границе кремния, и их положительный заряд является причиной образования встроенного канала в п-канальных МОП-транзисторах. Примечательно, что изменение параметров транзисторов носит временный, обратимый характер, несмотря на то, что амплитуды СКИ могут достигать значений, в 6 раз превышающие напряжение пробоя.

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что помехи в виде СКИ могут приводить к сбою не только аналоговых, но и цифровых схем, построенных на МОП-транзисторах. Поэтому в диссертационной работе была произведена экспериментальная оценка стойкости микросхем интегральных триггеров Шмитта КМОП-логики. Получена зависимость Ут- и Ут+ от амплитуды положительных и отрицательных СКИ, представленная на рис. 9. По оси абсцисс отложена измеренная стробоскопическим осциллографом амплитуда СКИ, а по оси ординат - пороговые напряжения логических уровней, пунктиром обозначена зона неопределённости в отсутствии СКИ.

По графикам на рис. 9 видно, что изменение пороговых уровней «0» и «1» при раздельном рассмотрении не выходит за допустимые пределы, однако, их со-

вместное изменение приводит к недопустимому сужению зоны неопределённости при амплитуде воздействия более 8 В как положительными, так и отрицательными

"лог. В 2.6

2.5

2.4

2.3

2.2

2.1

2

1.9

1.8

1.7

\

\

ч

V

л

V,- N

4 6 8 10 12 14 16 18

а)

илог. В 2.6

2.5

2.4

2.3

2.2

2.1

2

1.9

1.8

1.7

ч

\

\

\

v,- \

2 4 6 8 10 12 14 16 18 иски, в б)

Рис. 9. Изменение логических уровней триггера Шмитта под действием положительных а) и отрицательных б) СКИ.

СКИ. При амплитуде СКИ 18 В и более триггер Шмитта фактически вырождается в обыкновенный инвертор, поскольку ширина зоны неопределённости устремляется к нулю. Несмотря на большие значения амплитуды воздействия, выходящие за допустимые пределы, указанные в технической документации микросхем, длительные процессы восстановления триггеров или необратимые изменения их характеристик не наблюдаются. СКИ имеет слишком малую длительность и энергию для того, чтобы приводить к физическому повреждению полупроводниковой структуры микросхемы. Кроме того, экспериментально было установлено, что под действием сверхкороткого импульса может происходить переключение триггера Шмитта ввиду сужения зоны неопределённости, когда на входе присутствует напряжение УТ~<У<УТ+. Однако, длительность переключающего импульса оказывается в 40 раз меньше минимального необходимого для переключения значения 20 не.

Специфическое воздействие сверхкоротких импульсных помех на МОП-транзисторы необходимо учитывать при разработке устройств, которые предполагается эксплуатировать, например, в зоне. действия систем радиолокации или сверхширокополосной радиосвязи.

В третьей главе представлена методика автоматизированных испытаний электронной элементной базы в составе входных малошумящих усилителей по критерию стойкость к воздействию видеоимпульсов сверхкороткой длительности. Описана методика определения основных параметров деградации характеристик ПТШ и НЕМТ, в качестве примера приведены результаты испытаний параметров электромагнитной совместимости малошумящего усилителя сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ) на основе арсенидгаллиевых полевых транзисторов с

затвором Шоттки при воздействии последовательности сверхкоротких видеоимпульсов.

Предлагаемый автоматизированный измерительный стенд (АИС) предназначен для исследования работы полупроводниковых электронных устройств в условиях воздействия импульсных помех сверхкороткой длительности. Исследования проводятся в рабочем режиме полупроводниковых приборов в присутствии сверхкоротких импульсных помех, которые подаются непосредственно на выводы устройства контактным способом. В ходе эксперимента регистрируются основные функциональные параметры прибора, затем проводится анализ изменения этих параметров вследствие воздействия СКИ. Можно выделить три основные функции измерительной установки:

- имитация условий эксплуатации прибора в реальной радиоэлектронной системе;

- формирование испытательных СКИ с регулируемыми параметрами (амплитуда, форма и период следования);

- измерение функциональных параметров прибора при воздействии СКИ.

Основными частями АИС (рис. 10) являются: 1 — испытательный модуль (МШУ); 2 - генератор сверхкоротких импульсов; 3 - генератор запускающих импульсов Agilent 81104А; 4 - генераторы гармонического СВЧ сигнала; 5 -амплитудный детектор; 6 — стробоскопический осциллограф Agilent DCA-X86100 с модулем 86112А; 7 - измерительная установка National Instruments.

Принципиальная схема испытательного модуля и его фотография показаны на рис.11. Для имитации условий эксплуатации транзистора была использована

Рис. 10. Блок схема автоматизированного измерительного стенда.

типовая схема усилителя с общим истоком. Напряжения смещения транзистора задаются внешними источниками на входах ЕС1Л и ЕПИТ. Разъем [/„ч вх представляет собой пятидесятиомный вход СВЧ диапазона, предназначенный для подачи полезного сигнала и контактного импульсного воздействия.

Разъем ивч ВЬ1Х используется для наблюдения усиленного МШУ выходного сигнала. Для контроля тока стока транзистора с использованием АЦП в схеме предусмотрен отвод через индуктивность. В качестве датчика тока стока использован резистор 112. Описанная схема позволяет свести к минимуму влияние измеритель ных приборов на характеристики транзисторной схемы и проводить исследования

а) б)

Рис. 11. Фотография (А) и принципиальная схема (Б) испытательного модуля.

С1

100 пФ

10 пф

/г/

1 кОм

к АЦП

Я2

50 Ом

мкГн

С.7

100 пФ

С2

0,1 мкФ

и

1 мкГч

С5

10 иФ

С.6

10 пф

¡с,п, мА

влияния сверхкоротких импульсов как на усилительные свойства транзистора в высокочастотном и СВЧ режиме, так и на его свойства в статическом режиме.

При исследовании стойкости ПТШ для заданного режима его работы измеряется величина тока стока до импульсного воздействия 10. Затем управляющая программа формирует запускающие сигналы и на вход генератора СКИ подаются периодические импульсы длительностью 10нс необходимые для формирования сверхкороткой импульсной перегрузки. На протяжении всего эксперимента через заданные промежутки времени регистрируется изменение тока стока транзистора. Как только значения изменения тока становится меньше заданной величины, воздействие прекращается. По умолчанию цикл заканчивается после восстановления тока до величины 0,9/0. Измерения проводятся при заданных режимах и различных параметрах импульсной серии, предустановленных до запуска эксперимента.

В АИС одновременно с величиной тока стока /с может регистрироваться и мощность полезного сигнала на выходе усилителя Рвьа с помощью логарифмического детектора мощности на основе микросхемы АВ8319. Значения напряжения на его выходе записывается на жесткий диск компьютера при помощи АЦП. Это нужно если в процессе измерений необходимо контролировать коэффициент усиления МШУ. По измеренной мощности полезного сигнала на входе МШУ и измеренной мощности

1 3 5 7 9' Рис. 12. Временные зависимости тока стока для двух образцов ЗШ44А при воздействии СКИ с одинаковыми параметрами.

сигнала на его выходе рассчитываются: изменение Kv во времени в зависимости от параметров импульсной помехи; коэффициент обратимой деградации; ВГДЦ по обратимой деградации.

В результате экспериментальных исследований было выявлено, что для одних образцов транзисторов эффекты проявляются сильнее, чем для других (рис. 12). Это объясняется тем, что различие технологических параметров подложек оказывает влияние на характеристики ПТШ именно при импульсном воздействии. Результаты экспериментов хорошо соотносятся с полученными ранее результатами моделирования полупроводниковой структуры ПТШ.

В работе также показано, что характер и количественные характеристики приведенных зависимостей могут быть критериями для отбора образцов, наименее подверженных воздействию СКИ. Еще одним критерием отбора может служить величина коэффициента обратимой деградации и ВГДД по обратимой деградации.

Четвертая глава посвящена исследованию процессов протекающих в полупроводниковой структуре диодов с накоплением заряда при формировании СКИ и совершенствованию характеристик генераторов импульсных сигналов нано и суб-наносекундной длительности.

Для генерации сверхкоротких импульсов используются различные виды диодов с накоплением заряда (step recovery diodes - SRD), в которых во время протекания прямого тока в активной области происходит накопление электрически нейтральной электронно-дырочной плазмы. Далее создаются условия, при которых через диод протекает обратный ток, который рассасывает накопленный полезный заряд. После того, как концентрация носителей в активной области становиться равной нулю, происходит резкий обрыв тока диода, т.е. восстановление высокого обратного сопротивления. Из известных работ следует, что энергия генерируемого импульса должна линейно возрастать с увеличением накопленного в диоде заряда, в то время как в экспериментах наблюдается насыщение амплитуды сверхкороткого импульса на выходе генератора, а для некоторых образцов SRD происходит ее уменьшение при превышении накапливающего тока некоторого порогового значения. Полученные в диссертации результаты и их интерпретация позволяют объяснить указанные экспериментальные данные.

В работе приводятся результаты экспериментального исследования зависимости основных параметров диода с накоплением заряда таких, как времени жизни неосновных носителей и времени переключения от прямого /пр и обратных /обр токов. Установлено, что /пр пропорционален квадрату заряда, накапливаемый в активной области Qm SRD. Показано, что из активной области диода происходит утечка заряда: часть дырок может преодолеть потенциальный барьер и проникнуть в N+ область, часть электронов проникает в Р+ область диода. Вследствие амбипо-лярной диффузии часть электронов и дырок оказывается за границей активной области диода в собственном полупроводнике. Следствием этих процессов является накопление «паразитного» заряда, из-за которого происходит увеличение времени переключения диода в состояние с высоким обратным сопротивлением. Данный процесс ограничивает рост амплитуды с увеличением прямого тока диода

На основе полученных результатов предложена модель диода с накоплением заряда, учитывающая следующие стадии:

- стадию накопления полезного заряда Qin в активной области и «паразитного» заряда Qexl;

- стадия рассасывания заряда Qin активной области диода;

- стадия рассасывания «паразитного» Qex, заряда диода.

Для стадии накопления заряда в диоде предполагается, что процессы ин-жекции носителей в активную область диода описываются следующим выражением:

dt R h'

где I - ток в цепи диода, IR - ток рекомбинации заряда в активной области диода, //,

- ток утечки заряда из активной области диода. Причем ток рекомбинации

/*=-— + K-QI,

где г,„ - время жизни заряда в активной области диода, К - коэффициент пропорциональности. Квадратичное слагаемое в этой формуле соответствует прямой рекомбинации электронов и дырок, а линейное - рекомбинации с участием промежуточных центров рекомбинации (ловушек).

Для «паразитного» заряда на стадии накопления выполняется следующее равенство:

dQ™=J

Л ' Тех, '

где r„, - время жизни носителей «паразитного» заряда Qe„. Увеличение «паразитного» заряда происходит за счет токов утечки. Второй член в правой части уравнения соответствует рекомбинации этого заряда.

На стадии рассасывания заряда активной области выражение для Qjn можно записать в следующем виде:

dt Г Г,„ '

где Uj - напряжение на диоде, Mr - обратная проводимость диода. Слагаемое

учитывает рекомбинацию заряда /-области. Известно, что обратная проводимость на стадии рассасывания заряда активной области аппроксимируется выражением:

\!r =AQm\

где А- коэффициент аппроксимации. Тогда получим

Jt ¿--in а _

dt

Процесс рассасьшания "паразитного" заряда Qex, описывается выражением:

dQex,= j Qa dt т„, '

Следует заметить, что на данной стадии процесса переключения диода Qin=0.

Предложенная модель реализована в виде подсхемы на языке Spice и может использоваться в составе систем схемотехнического проектирования как библио-

течный элемент. Кроме того в работе предложена методика определения параметров модели БМ) по экспериментальным данным.

При генерации СКИ при увеличении прямого тока и времени накопления происходит увеличении заряда активной области и должен наблюдаться рост амплитуды импульса. Однако одновременно с этим происходит накопление и «паразитного заряда», ограничивающего амплитуду и частоту следования. Для

минимизации влияния «паразитно-— го» заряда на процесс переключения

2 диода в работе предложена схема формирования СКИ с одновременной накачкой заряда ДНЗ и накоплением магнитной энергии (рис. 13).

Для генерации СКИ для значений элементов схемы должно выполняться следующее условие Ь2/Ь]<У2/У1. Положительный запускающий импульс приходит на затвор транзистора, после чего от источника напряжения V] через индуктивности ¿1 и ¿2 к источнику начинает протекать ток. БЮ диод оказывается открытым в прямом направлении и начинается накопление заряда в его полупроводниковой структуре. Следующая стадия работы генерала

Рис. 13. Схема формирования СКИ с одновременной накачкой заряда ДНЗ и накоплением магнитной энергии.

тора начинается в момент закрытия транзистора. Протекающий через индуктивность ¿2 ток перезаряжает выходную емкость транзистора Ср и начинается процесс разряда накопленного в 8ЫЗ заряда, после чего следует резкое восстановление обратного сопротивления диода. Энергия, накопленная в индуктивностях, переходит в нагрузку 112, и на ней формируется сверхкороткий импульс напряжения. Пример формируемого генератором импульса представлен на рис. 14. Для минимизации переходных процессов в схеме использован резистор Я1, вносящий потери в переходные процессы реактивных элементов. При фиксированных номиналах схемы генератора возможно управление амплитудой СКИ путем варьирования напряжений

80

20

-20

2.0

Рис. 14. Осциллограмма СКИ формируемого генератором: 1 — однополярный; 2- двуполярный.

УиВ

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Рис. 15. Зависимости амплитуды формируемых СКИ от положительного напряжения V] для различных длительностей запускающих импульсов

питания и длительности

запускающего импульса (рис. 15). Так же в схеме предусмотрено управление формой генерируемого СКИ путем варьирования номиналов выходных цепей Ц и С\.

На практике предложенный способ генерации на основе отечественных диодов с накоплением заряда позволил сформировать СКИ длительностью 150 пс на полувысоте с амплитудой до 80 В, частотой следования до 80 МГц и КПД 63%. Такой формирователь предпочтительно использовать в качестве передатчика СШП импульсных сигналов. При построении приемных устройств в качестве опорного генератора особый интерес представляют мало потребляющие

^=6,25 не, <2=9 не, /3=12 не.

схемы, формирующие СКИ малой амплитуды (до 1 В) с формой идентичной форме импульса передатчика. Поэтому в работе предложен способ формирования опорных СКИ на основе дифференциальной СМЬ-логики с возможностью управления формой. Суть предложенного способа заключается в формировании импульсов путем замыкания дифференциальных выходов СМЬ-логики линией задержки, в качестве которой использовался

низкодобротный ЬС контур. Генератор опорных СКИ был реализован в виде двух каскадов на сверхбыстродействующих логических схем ЫВ4Ы6М. Первый каскад использовался для устранения влияния параметров запускающего

импульса. На его выходе формируется однополярный СКИ (рис. 16 кривая 1). Второй каскад формирует двуполярный импульс (рис. 16 кривая 2).

2, л

\ \ _] А V

\

\

N

1/

Рис. 16. Осциллограмма опорного СКИ формируемого генератором: 1 - одно-полярный; 2- двуполярный.

В пятой главе представлены результаты исследования методов излучения сверхширокополосных импульсных сигналов.

При излучении сверхкоротких импульсов сверхширокополосной антенной форма временного отклика на расстоянии от системы определяется характеристиками генератора, излучателя и свойствами среды распространения. Управление

:точниК сигнала.

формой и длительностью импульса может осуществляться путем выбора генератора или настройки его параметров для требуемого сигнала, а также путем подбора излучающей антенны. Синтез импульса произвольной формы возможен, если использовать несколько генераторов взаимно ортогональных функций. В этом случае требуемый сигнал является суммой взвешенных базисных. Его форма при этом существенно зависит от точности аппроксимации базисных функций сигналами генераторов. Более простым для реализации представляется способ позволяющий компенсировать искажения, вносимые излучателем в формируемый на заданном расстоянии от антенны сигнал в котором используются одинаковые базисные СКИ.

В работе предложена система управления формой и длительностью излучаемых сверхширокополосных импульсов. Сигнал в дальней зоне антенны синтезируется как суперпозиция смещенных относительно друг друга во времени взвешенных базисных сигналов, формируемых каналами системы. Базисный сигнал задан априори - его форма одинакова для каждого канала системы. Для исследования такого метода в работе построена электродинамическая модель антенной системы, позволившая предложить ТЕМ-рупор с конфигурацией, представленной на рис. 17. Геометрия антенны получена из следующих положений: длина Я антенны вдоль оси х составляет 300 мм, волновое сопротивление 2(х) изменяется от 50 до 120л Ом в зависимости от координаты х по формуле

р[1п(2,4 я)~

Рис. 17. Конфигурация ТЕМ-рупора.

Z(x) = 50ехр|

расстояние между лепестками Н{х) изменяется по формуле

ч,

Я(х) = Я0ех

К пп

где 0 <х < R=300 мм, Н0 = Н(0) = 2 мм, HR = #(R)=300 мм, <5 = 0,5.

С использованием разработанной модели была рассчитана электрическая составляющая поля на расстоянии 30 м от антенны в направлении оси х. Моделирование проведено с использование метода конечных разностей во временной области (FDTD - finite-difference time-domain method), в предположении, что излучатель находится в свободном пространстве. Полученный сигнал по форме качественно близок к гауссовскому моноциклу, однако присутствует ярко выраженная асимметрия: длительности положительной и отрицательной полуволн отличается более, чем в 2 раза. Амплитуда отрицательного лепестка составляет -5,3 В/м, а положительного - 4,2 В/м.

ЛЗ-1

ЛЗ-г

ЛЗ-АГ

АТТ-1

АТТ-1

АТТ-ЛГ

Рис. 18. Структура системы формирования сигналов.

Для компенсации искажений излученного СКИ и синтеза сигналов произвольной формы предложена система, блок-схема которой представлена на рис. 18. Она состоит из некоторого количества (Л*) одинаковых по структуре каналов, выходные сигналы которых суммируются и поступают на вход излучающей антенны. Каждый из каналов функционирует следующим образом. Цифровой импульсный сигнал подается на вход перестраиваемой линии задержки ЛЗ-/ с задержкой г,. Импульс с ее выхода запускает генератор сверхкоротких импульсов Г, выходной сигнал которого поступает на вход перестраиваемого СШП аттенюатора АТТ-/ с коэффициентом ослабления а,, который при необходимости позволяет инвертировать полярность сигнала. С выхода аттенюатора СКИ поступает на один из входов СШП сумматора. Суммарный сигнал - на вход антенны А. Операция суммирования может быть заменена суперпозицией электромагнитных полей, если каждый из каналов нагружен на СШП антенну, взаимное влияние которых невелико или компенсировано. Таким образом, сигнал в дальней зоне СШП излучателя представляет собой взвешенную сумму смещенных по времени импульсов:

А

Рис. 19. Заданная (1) и синтезированная (2) форма напряженности электрической составляющей поля в точке с координатами х = 30 м, у = 0, 0 для разных сигналов.

где ,?ь(7) - сигнал, излучаемый каждым из каналов при г,=0, гаг,- =1,.9/Д7) - суммарный излучаемый системой сигнал. сг„ т, позволяют получить дискретное представление функции И(Х), связывающей.?//(/) и ¡/,(1) посредством свертки:

В диссертации проведен расчет параметров системы (а,, т, и Л,г) путем оптимизации целевой функции методом Нелдера-Мида:

Т N

о '=)

где Г-длительность заданного сигнала ^Д/).

Характеристики системы также позволяют формировать сигналы различной длительности. На рис. 19 представлены сигналы, полученные с использованием предложенной системы, совместно с заданными СКИ. Хорошо видно, что система позволяет формировать форму импульса с широким диапазоном длительностей, которые весьма точно совпадают с заданными.

В работе также проведено теоретическое и экспериментальное исследования различных конфигураций ТЕМ-рупоров и антенн Вивальди для излучения импульсов нано и субнаносекундной длительностей. Разработана совместная модель, объединяющая электродинамическую модель антенны и схемотехническую модель формирователя, предложенного в четвертой главе. На основе анализа даны рекомендации по применению излучающих систем в приложениях СШП радиолокации и связи.

В заключении подведены итоги по диссертации в целом, сделаны общие выводы и сформулированы основные результаты работы.

1. Показано, что под действием перегрузок в виде импульсных сигналов по входной цепи происходит увеличение толщины слоя объемного заряда на границе канал-подложка из за заполнения электронами глубоких уровней полуизолирущей ОаАз подложки. Этот эффект является основным механизмом обратимой деградации ПТШ при импульсных воздействиях, который проявляется при воздействии на затвор ПТШ напряжения отрицательной полярности, абсолютная величина которого превышает напряжение отсечки.

2. Показано, что воздействие перегрузок в виде периодических СШП импульсных сигналов обладает кумулятивным эффектом (свойством накопления), что может способствовать усилению эффектов деградации ПТШ.

3. Предложены методика и экспериментальная установка для отбора образцов ПТШ стойких к СКИ. Показано, что минимизацию эффектов временной деградации при воздействии импульсных сигналов можно проводить с помощью предложенных в работе критериев отбора.

4. Исследовано воздействие периодической последовательности СКИ на характеристики МШУ на НЕМТ транзисторах и зависимости характеристик обратимой деградации транзистора от параметров воздействия. С помощью предложенной двумерной модели НЕМТ транзистора исследован процесс образования избыточного объёмного заряда в подложке за счет эффекты захвата носителей на глубокие уровни. Показано, что при значительном времени жизни образования избыточного объёмного заряда в полуизолирующей подложке, после окончания воздействия его существование приводит к временному ухудшению характеристик транзистора, т.е. обратимым отказам. При этом объемный заряд создает условия, при которых происходит вытеснение канала из низколегирован-

ной области в легированную, что сопровождается снижением подвижности носителей и ухудшению характеристик прибора на высоких частотах.

5. Экспериментально установлено, что под действием сверхкоротких импульсов как положительной, так и отрицательной полярностей происходит открывание МОП-транзисторов со встроенным каналом n-типа. Транзисторы открываются под действием отрицательных СКИ вследствие того, что в подзатворном диэлектрике формируется положительный заряд, релаксация которого может занимать сотни наносекунд.

6. Исследовано воздействия СКИ на триггера Шмита КМОП-логики. Показано, что в результате деградации значительно ухудшается его регенеративная функция. Вероятность возникновения сбоя в работе триггера под воздействием СКИ сильно зависит от времени последействия и определяется параметрами воздействия и временем нахождения входного сигнала в зоне неопределённости.

7. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование процессов протекающих в полупроводниковой структуре диодов с накоплением заряда при генерации импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительностей. На основе полученных результатов предложена модель диода с накоплением заряда, учитывающая выявленные процессы накопления неосновных носителей заряда.

8. Предложен способ генерации СКИ нано и субнаносекундной длительностей, позволяющий улучшить характеристики генератора путем минимизации процессов «паразитного» накопления заряда в высоколегированных областях диода.

9. Предложена система управления формой и длительностью излучаемых сверхпгарокополосных импульсов. Сигнал в дальней зоне антенны синтезируется как суперпозиция смещенных относительно друг друга во времени взвешенных базисных сигналов, формируемых каналами системы. Предложенный метод позволяет минимизировать искажение СКИ при излучении и распространении в пространстве.

Таким образом, на основе проведенных исследований получены новые научные результаты, совокупность которых представляет собой научное достижение, имеющее важное значение для развития таких областей радиофизики как: изучение линейных и нелинейных процессов излучения, распространения СШП электромагнитных волн; разработка, исследование и создание новых электродинамических систем и устройств формирования и передачи сверхширокополосных радиосигналов; создание новых методов анализа сигналов в условиях сверхкоротких импульсных помех; разработка теоретических и технических основ новых методов радиофизики основанных на использовании излучения и приема сверхширокополосных импульсных волновых полей.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Бобрешов A.M. Моделирование деградационных процессов в полевом транзисторе под воздействием импульсных помех большой амплитуды / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Вестн. Воронеж, гос. ун-та. Сер. Физика. Математика. - Воронеж, 2006.-№ 1,-С. 10-16.

2. Бобрешов A.M. Определение параметров структурных моделей транзистора по экспериментальным данным / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Вестн. Воронеж, гос. ун-та. Сер. Физика. Математика. - Воронеж, 2006. - № 2. -С. 19-23.

3. Бобрешов A.M. Исследование обратимых отказов GaAs ПТШ при импульсных перегрузках / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Известия высших учебных заведений. Электроника. - 2006. - № 5. - С. 69-77.

4. Бобрешов A.M. Характеристики помехозащищенности полевого транзистора в условиях действия импульсных помех большой амплитуды / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Радиолокационная техника. - М., 2007. - № 1.-С. 31^5.

5. Бобрешов A.M. Экспериментальное исследование обратимой деградации GaAs ПТШ под действием сверхкоротких видеоимпульсов / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2007. -Т. 10,№ 1.-С. 104-111.

6. Бобрешов A.M. Механизмы обратимых отказов GaAs ПТШ при мощных импульсных воздействиях / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2008. - Т. 11, № 3. - С. 60-68

7. Бобрешов A.M. Оптимизация геометрических размеров ТЕМ-рупорной антенны для излучения сверхкоротких импульсов / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Антенны. - 2009. - №6. - С. 80-83.

8. Бобрешов A.M. Обратимые отказы НЕМТ-транзисторов под действием сверхкоротких видеоимпульсов / A.M. Бобрешов, М.П. Ряполов, Г.К. Усков И Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — 2009. - Т. 12, № 1. - С. 62-67.

9. Бобрешов A.M. Экспериментальное исследование стойкости интегральных триггеров Шмитта КМОП-логики к сверхкоротким импульсным перегрузкам / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] II Измерительная техника, - 2009 г. -№12. -С.46-50.

10.Бобрешов A.M. Деградация интегральных триггеров Шмитта КМОП-логики под воздействием сверхкоротких импульсных перегрузок / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Известия высших учебных заведений. Электроника, -2009. - №6. - С.28-36.

11. Бобрешов A.M. Хаотические системы связи с нелинейным подмешиванием в присутствии помех / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, - 2009. - Т.12. - №3, - С.63-68.

12.Бобрешов A.M. Уменьшение интермодуляционных искажений во входном радиоприемном тракте / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. - 2010. - Т. 53, № 12. - С. 40-45.

13.Макаров Е.С. Компактный крестообразный сверхширокополосный монополь с копланарной запиткой и улучшенными характеристиками диаграммы направленности / Е.С. Макаров, Г.К. Усков // Вестник воронежского государственного технического университета, - 2011. - №7. - С. 91-94.

14.Бобрешов A.M. Воздействие сверхкоротких импульсных перегрузок на ПТШ, изготовленные на полуизолирующих подложках из разных партий / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Физика. Математика. - Воронеж, - 2011. - № 1.-С. 12-16.

15.Бобрешов A.M. Анализ ТЕМ-рупорной антенны с помощью метода конечных разностей во временной области / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Антенны. - 2011. - №4. - С. 60-63.

16.Бобрешов A.M. Характеристики электромагнитной совместимости ма-лошумящего усилителя на полевом транзисторе с затвором Шотгки при воздействии сверхкоротких импульсных помех / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. - Киев, 2011. — Т. 53. № 12. - С.41-46.

17.Бобрешов A.M. Генерация сверхкоротких импульсных сигналов / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.-2011.-Т. 14, №3.-С. 103-108.

18.Бобрешов A.M. Автоматизированный измерительный стенд для оценки стойкости радиоэлектронной аппаратуры к воздействию сверхкоротких импульсных помех / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Радиотехника, - 2011. -№8. _ С. 54-57.

19. Бобрешов A.M. Влияние концентраций глубоких уровней в полуизолирующих подложках на электроперегрузки GaAs ПТШ / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.]//Радиотехника,-2012г.-№5.-С. 99-102.

20. Бобрешов A.M. Построение модели излучения сверхкоротких импульсов сверхширокополосным ТЕМ-рупором с помощью метода конечных разностей во временной области / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Радиотехника, - 2012. -№8.-С. 49-54.

21. Бобрешов A.M. Оптимизация угла раскрыва ТЕМ-рупора для эффективного излучения сверхкоротких импульсов / A.M. Бобрешов, И.И. Мещеряков, Г.К. Усков // Радиотехника и Электроника. - 2012. - Т.57. - №3. - С. 320.

22.Бобрешов A.M. Модель диода с накоплением заряда для анализа схем генерации сверхкоротких импульсов / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Физика. Математика. - Воронеж, 2012. -№ 2. - С. 12-17.

23.Бобрешов A.M. Компенсация искажений формы сверхкоротких импульсов электромагнитного поля в дальней зоне с помощью антенной решетки / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Физика. Математика. - Воронеж, 2012. - № 2. - С. 18-25.

24.Бобрешов A.M. Схема компенсации искажений формы сверхкоротких импульсов электромагнитного поля, излучаемых сверхширокополосной антенной / A.M. Бобрешов, И. И. Мещеряков, Г.К. Усков // Радиотехника и электроника, -2013, - Т. 58, № 4. - С. 330-336.

25.Бобрешов A.M. Оптимизация геометрических параметров ТЕМ-рупора для излучения сверхкоротких импульсов в составе антенной решетки с управляемым положением главного лепестка / A.M. Бобрешов, И. И. Мещеряков, Г.К. Усков // Радиотехника и электроника, - 2013. - Т. 58, № 3. - С. 233-337.

26.Усков Г.К. Физика диодов с накоплением заряда при генерации сверхкоротких импульсных сигналов / Г.К. Усков // Теория и техника радиосвязи, -2012.-№ 4.-С. 100-105.

27.Бобрешов A.M. Влияние сверхширокополосной помехи с высокой пиковой мощностью на функционирование малошумящих GaAs ПТШ / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Радиотехника, - 2013. - №4. - С. 54-57

Патенты:

28. Бобрешов A.M. Генератор субнаносекундных импульсов : пат. 2457615 Рос. Федерация : МПК Н 03 К 3/33 / A.M. Бобрешов, Ю.И. Китаев, Г.К. Усков ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО ВГУ .— № 2010129401; заявл. 15.07.2010 ; опубл. 27.07.2012, Бюл. №21 .— 9 с.

29. Бобрешов A.M. АИК ЭМС 3.6.2: свидетельство. 2013611752 / Воронеж, гос. ун-т; A.M. Бобрешов, И.С. Коровченко, В.А. Степкин, Г.К. Усков. - 2013. (№2012660891; заявл. 11.12.2012 ; опубл. 20.03.2013)

30. Бобрешов A.M. Программа электродинамического моделирования RFDTD3D: свидетельство. 2012660468 / Воронеж, гос. ун-т; A.M. Бобрешов, П.А. Кретов, И.И. Мещеряков, Г.К. Усков. - 2013. (№ 2012618063; заявл. 26.09.2012 ; опубл. 21.11.2012)

Труды Международных и Всероссийских конференций и другие издания:

31. Бобрешов A.M. Метод и устройство испытаний стойкости полевых транзисторов к импульсным перегрузкам / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XII Международ, науч.-техн. конф. - Воронеж, 2006,-Т. 2.-С. 1237-1243.

32. Бобрешов A.M. Распространение биполярных импульсов субнаносе-кундной длительности / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XIII Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2007.- Т. 2. - С. 702-705.

33. Бобрешов A.M. Воздействие субнаносекундных импульсов на аналоговые и цифровые устройства / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Физика и технические приложения волновых процессов: VI Междунар. науч.-техн. конф. -Казань, 2007,- С. 223-224.

34. Бобрешов A.M. Деградация НЕМТ-транзисторов на GaAs под действием сверхкороткой длительности / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // 62 Научная сессия, посвященная Дню радио: труды.- М., 2007.- С. 225-227.

35. Бобрешов A.M. Исследование помехозащищенности малошумящих усилителей на основе ПТШ к воздействию сверхкоротких видеоимпульсов / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Сборник докладов 10-й Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности: ЭМС-2008.- СПб., 2008.- С. 307-311.

36. Бобрешов A.M. Излучение сверхкоротких импульсов с помощью ТЕМ-рупорной антенны / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XIV Междунар. науч.-техн. конф.- Воронеж, 2008.- Т. 1. - С. 724-728

37. Бобрешов A.M. Исследование влияния партии подложки на параметры GaAs ПТШ при воздействии сверхкоротких видеоимпульсов / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: 18-я Междунар. Крымская конф.: материалы конф. - DOI: 10.1109/CRMIC0.2008.4676551. -М.; Киев; Минск; Севастополь, 2008.- Т. 2. - С. 672-673.

38. Bobreshov A.M. Substrate batch effect in GaAs MESFET under ultra-short pulses / A.M. Bobreshov, G.K. Uskov [et al] // IEEE, Electromagnetic Compatibility, 2009 20th International Zurich Symposium on Volume , Issue , 12-16 Jan. -DOI: 10.1109/EMCZUR.2009.4783472. - 2009. - P. 389- 392.

39. Бобрешов A.M. Определение параметров модели диода с накоплением заряда по экспериментальным данным / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XVII Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2011.Т. 1.-С. 802-810.

40. Бобрешов A.M. Совместное моделирование генератора сверхкоротких импульсов и планарного дипольного излучателя / A.M. Бобрешов, Г.К. Усков [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XIX Международная научно-техническая конференция, г. Воронеж, 16-18 апр. 2013 г. - Воронеж, 2013,- Т. 2. - С. 967-970.

Подписано в печать 11.11.13. Формат 60*84 "/щ- Усл. печ. л. 1,86. Тираж 120 экз. Заказ 1158.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательско-полиграфического центра Воронежскою государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Усков Григорий Константинович

ГЕНЕРАЦИЯ И ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЭЛЕМЕНТНУЮ БАЗУ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

01.04.03 - Радиофизика

диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор

Бобрешов Анатолий Михайлович

Воронеж - 2013

Содержание

Список используемых сокращений.......................................................................6

Введение...................................................................................................................8

Глава 1. Обратимая деградация ПТШ при воздействии импульсных

помех нано- и субнаносекундной длительности...............................................32

1.1. Проявление эффекта обратного управления ПТШ под действием импульсной перегрузки во входной цепи...........................................................36

1.2. Обратимая деградация ПТШ под действием периодических импульсов...............................................................................................................39

1.3. Экспериментальное исследование обратимой деградации ПТШ под действием периодических импульсов.................................................................44

1.4. Деградационные процессы характеристик ПТШ при воздействии сверхкоротких видеоимпульсов..........................................................................51

1.4.1. Исследование воздействия СКИ положительной полярности.........58

1.4.2. Исследование воздействия СКИ отрицательной полярности..........64

1.4.3. Механизм обратимой деградации ПТШ, при воздействии

СКИ. Интерпретация результатов.................................................................72

1.5. Модели эффектов деградации характеристик ПТШ при воздействии СКИ........................................................................................................................79

1.5.1. Определение параметров структурных моделей ПТШ.....................81

1.5.2. Разработка математической модели деградационных процессов в ПТШ и определение её параметров на основе экспериментальных данных..............................................................................................................91

1.5.3. Применение модели деградационных процессов ПТШ в пакетах схемотехнического проектирования...........................................................102

1.6. Физическая модель ваАБ ПТШ для рассчета объёмного заряда в полуизолирующей подложке.............................................................................108

1.7. Характеристики электромагнитной совместивости МШУ при воздействии СКИ.................................................................................................113

1.7.1. Коэффициент обратимой деградации...............................................113

1.7.2. Верхняя граница динамического диапазона по обратимой деградации МШУ..........................................................................................116

Выводы.................................................................................................................132

Глава 2. Воздействие импульсных электроперегрузок на полевые

транзисторы с высокой подвижностью электронов и элементы цифровой

КМОП логики......................................................................................................134

2.1. Воздействие СКИ на НЕМТ транзисторы.................................................135

2.1.1. Экспериментальное исследование воздействия СКИ

на НЕМТ транзисторы..................................................................................135

2.1.2. Механизм воздействия СКИ на полевые транзисторы...................137

2.1.3. Моделирование воздействия СКИ на НЕМТ...................................141

2.2. Воздействие СКИ на n-канальный МОП-транзистор..............................146

2.2.1. Методика экспериментального исследования

воздействия СКИ на n-канальный МОП-транзистор................................146

2.2.2. Результаты экспериментального исследования

воздействия СКИ на n-канальный МОП-транзистор................................147

2.2.3. Интерпритация экспериментальных результатов............................152

2.3. Воздействие СКИ на триггеры Шмита КМОП-логики............................155

2.3.1. Методика экспериментального исследования

воздействия СКИ на триггеры Шмита КМОП-логики..............................155

2.3.2. Результаты экспериментального исследования воздействия

СКИ на триггеры Шмита КМОП-логики и их интерпритация.................161

Выводы.................................................................................................................169

Глава 3. Автоматизированный измерительный комплекс для тестирования

стойкости элементной базы к воздействию сверхкоротких

импульсных помех..............................................................................................171

3.1. Тестирование полупроводниковой электронной элементной

базы на стойкость к импульсным воздействиям..............................................173

3.2. Описание программного обеспечения автоматизированного измерительного комплекса.................................................................................177

3.3. Методика отбора транзисторов по критериям стойкости к СКИ...........184

Выводы.................................................................................................................191

Глава 4. Разработка генераторов сверхкоротких импульсных

сигналов на основе диодов с накоплением заряда.........................................192

4.1. Процессы переключения в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда в режиме генерации СКИ................................................193

4.1.1. Режим накопления электронно-дырочной плазмы в полупроводниковой структуре диода..........................................................193

4.1.2. Параметры диодов с накоплением заряда........................................198

4.1.3. Процессы при генерации сверхкоротких импульсов в полупроводниковой структуре диода с накоплением

заряда. Токи утечки.......................................................................................200

4.1.4. Экспериментальное исследование переходных процессов

в диодах с накоплением заряда в режиме переключения.........................208

4.1.5. Измерение параметров ДНЗ...............................................................214

4.2. Разработка модели диодов с накоплением заряда....................................220

4.2.1. Модель ДНЗ, учитывающая процессы накопления паразитного заряда в легированных областях..................................................................223

4.2.2. Реализация модели диода с накоплением заряда в САПР..............226

4.2.3. Методика определения параметров модели ДНЗ по экспериментальным данным........................................................................233

4.3. Разработка генератора сверхкоротких импульсов с индуктивным накопителем энергии..........................................................................................237

4.3.1. Метод генерации сверхкоротких импульсов с длительным накоплением заряда.......................................................................................240

4.3.2. Способ генерации СКИ с одновременной накачкой заряда

ДНЗ и накоплением магнитной энергии.....................................................249

4.4. Методы формирования опорных импульсов нано и

субнаносекундной длительности.......................................................................255

Выводы.................................................................................................................263

Глава 5. Методы излучения сверхширокополосных импульсных

сигналов................................................................................................................264

5.1. Моделирование сверхширокополосной системы, излучающей сверхкороткие импульсы....................................................................................265

5.1.1. Параметры антенных систем при излучении сверхкоротких импульсов.......................................................................................................265

5.1.2. Моделирование электродинамических систем во временной области............................................................................................................268

5.1.3. Граничные и начальные условия при расчете рассеянного и излученного поля...........................................................................................278

5.1.4. Моделирование ТЕМ-рупорной антенны для излучения СКИ......289

5.2. Оптимизация параметров систем излучения СКИ для улучшения их характеристик......................................................................................................300

5.2.1. Управление положением главного лепестка импульсной АФАР ..302

5.2.2. Влияние параметров ТЕМ-рупора на характеристики

излучения СКИ..............................................................................................305

5.2.3. Метод компенсации неравномерности энергетической диаграммы направленности ТЕМ-рупора...................................................315

5.2.4. Метод компенсации искажения СКИ при излучении СШП антенной.........................................................................................................318

5.3. Методы совместного моделирования антенн и формирователя сверхкоротких импульсов..................................................................................337

5.4. Синтез сверхкоротких импульсных сигналов произвольной формы.....347

Выводы.................................................................................................................355

Заключение..........................................................................................................356

Библиографический список использованной литературы..............................359

Список используемых сокращений

FDTD - finite-difference time-domain FIT - finite integration technique

HEMT - транзистор с высокой подвижностью электронов MESFETs - metal semiconductor field effect transistor SRD - Step Recovery Diode

АИК - автоматизированный измерительный стенд

АИС - автоматизированный измерительный стенд

АФАР - активная фазированная антенная решетка

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

ВАХ - вольтамперная характеристика

ВГДД - верхняя граница динамического диапазона

ГОСТ - государственный стандарт

ДЗ - дальняя зона

ДН - диаграмма направленности

ДНЗ - диод с накоплением заряда

ДРВ - диод с резким восстановлением обратного сопротивления

ИС - интегральная схема

ИХ - импульсная характеристика

КМОП - схемы на комплементарных (дополняющих) МОП-транзисторах с

противоположными типами каналов

КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению

КУ - коэффициент усиления

МКИ - метод конечного интегрирования

МКРВО - метод конечных разностей во временной области

МОП - структура металл-оксид-полупроводник

МОПТ - транзистор с МОП-структурой

МШУ - малошумящий усилитель

ПТШ - полевой транзистор с затвором Шоттки

РЛС - радиолокационная станция

РПУ - радиоприёмное устройство

РЭА — радиоэлектронная аппаратура

РЭС - радиоэлектронное средство

САПР - система автоматизированного проектирования

СВЧ - сверхвысокие частоты

СКВИ - сверхкороткий видеоимпульс

СКИ - сверхкороткий импульс

ШКН - широкополосная коаксиальная нагрузка

ШРХ - Шокли-Рида-Холла

ЭМИ - электромагнитное излучение

ЭМО - электромагнитная обстановка

ЭМС - электромагнитная совместимость

ЭС - эквивалентная схема

Введение

Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию методов генерации, излучения сверхширокополосных импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности, а также исследованию воздействия и возможностей улучшения характеристик помехоустойчивости входных устройств, построенных на базе ваАз полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ), НЕМТ транзисторов и базовых элементов цифровой электроники, при воздействии импульсных помех.

Актуальность темы.

Проводимые в диссертационной работе исследования, направлены на обеспечение надежности и устойчивого функционирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в условиях импульсных помех и развитие методов генерации и излучения сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности (сверхкороткий импульс).

Применение сверхкоротких импульсов (СКИ) расширяет функциональные возможности существующих радиоэлектронных систем, а также позволяет создавать принципиально новые системы, предназначенные для решения широкого круга научно-технических, военных и социальных проблем [60, 116, 129131, 227, 237-249]. Переход от узкополосных сигналов к нано и субнаносекунд-ным требует решения большого круга фундаментальных задач, связанных с тем, что принципы генерации СКИ, методы их излучения и приема, а также методы обработки сигналов и извлечения из них полезной информации, коренным образом отличаются от используемых в случае узкополосных сигналов. Так, методы формирования узкополосных сигналов основаны на генерации гармонических сигналов и их модуляции, в то время как генератор СКИ формирует видеоимпульсы. Форма сверхкороткого сигнала претерпевает существенные изменения на всех этапах его распространения: при передаче по фидерным трактам, при излучении, распространении в дисперсной среде, при отражении от объекта локации и приеме [129, 197, 209, 227, 228, 246-249]. Перечисленные особенности настолько существенны и принципиальны, что разработка радиосистем на основе сверхширокополосных импульсных сигналов выливается в самостоятельное научно-техническое направление с собственными методами анализа и нетрадиционными схемотехническими решениями.

В настоящее время существуют публикации [143-148, 250-253], которые посвящены исследованию процессов протекающих в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при генерации СКИ. В ряде работ приводиться физические интерпретации процессов при работе диода в импульсном режиме [143-144]. Известны работы, в которых предложены математические модели диодов с накоплением заряда и проведено исследование их сходимости [147, 148]. Однако не освещается проблема минимизации «паразитного» заряда в полупроводниковой структуре прибора для улучшения характеристик формируемых импульсов. Процесс накопления этого заряда зависит от режима работы диода с накоплением заряда (ДНЗ) и может существенным образом влиять на процесс восстановления обратного сопротивления, что в свою очередь определяет такие параметры формируемого генератором сигнала, как амплитуда, длительность и максимальная частота следования импульсов. Эти параметры так же зависят и от способа формирования СКИ. На сегодняшний день максимальная частота повторения, которая достигается с использованием известных схем формирователей, составляет сотни килогерц. Для улучшения основных характеристик генератора становится необходимым учет «паразитных» эффектов в ДНЗ [56,111,117,125,149].

Излучатели СШП импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности с одной стороны должны обладать минимально возможными размерами, а с другой - обеспечивать приемлемый уровень согласования генератора и антенны, заданное распределение энергии в пространстве [175-178]. Невысокая средняя мощность сигнала на выходе существующих малогабаритных формирователей приводит к тому, что эффективная генерация и излучение являются целью при разработке излучателей сверхкоротких импульсов. Проектирование антенны без учета выходных характеристик формирователя не приемлемо, так как оба этих устройства подвержены взаимовлиянию, что сказывается как на форме генерируемого сигнала, так и на характеристиках излучения антенны [178]. Построение совместной схемотехнической модели генератора и антенны представляется необходимым для эффективного излучения сверхкоротких импульсов [119, 235].

В качестве характеристик излучателей, применяемых в таких системах, обычно рассматриваются энергетические диаграммы направленности, форма поля в заданных точках пространства, уровень согласования между антенной и генератором, или зависимость коэффициента стоячей волны по напряже-

нию (КСВН) от частоты в полосе, перекрывающей спектр [176-178]. Эти характеристики определяются геометрией антенны и сигналом на выходе формирователя. Можно выделить два пути повышения эффективности излучения сверхкоротких импульсов: оптимизация геометрии антенны, синтез сигнала требуемой формы на выходе генератора [266, 267].

Так, применение СКИ в импульсных сканирующих антенных решетках имеет особенность, связанную с методом формирования главного лепестка ДН. Вместо фазовых сдвигов для каждого элемента подбирается временная задержка таким образом, чтобы в требуемую точку пространства все сигналы пришли синхронно. При этом энергетическая ДН излучателя определяет возможный диапазон управления положением главного лепестка. Характеристики антенны и генератора, как правило, не позволяют получить сигнал требуемой формы на заданном расстоянии от излучателя. В системах с электронным сканированием пространства может возникнуть необходимость в сохранении формы СКИ в определенном угловом диапазоне на заданном расстоянии от антенны. Наиболее интересным представляется синтез сигнала исходя из характеристик имеющегося генератора без применения дополнительных источников [73, 266, 267].

Несмотря на наличие большого количества публикаций [177-208], посвященных излучающим сверхкороткие импульсы антеннам, вопросы оптимизации энергетических диаграмм направленности (ДН) для конкретного требуемого сигнала и компенсации искажения формы поля на заданном расстоянии от антенны освещены недостаточно.

Усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО), связанное с непрерывным увеличением числа радиоэлектронных средств (РЭС) и загруженностью освоенных диапазонов, влечет за собой возрастание общего уровня электромагнитных помех [61]. Стойкость радиоаппаратуры к импульсным перегрузкам различного вида и происхождения является важнейшим фактором надежности её функционирования. Такие перегрузки могут возникать в результате действия преднамеренных или непреднамеренных помех. Здесь главной проблемой является стойкость полупроводниковых приборов и схем, входящих в состав радиоаппаратуры [87, 110,138].

При исследовании мощных импульсных воздействий на сложные радиоэлектронные системы рациональным путем упрощ�