Охлаждаемые быстодействующие элементы защиты входных цепей радиоэлектронной аппаратуры от электромагнитных импульсов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет имени В.И.Ульянова (Ленина)

РГ8 Он

На правах рукописи

Зеленкевич Мирослав

ОХЛАЖДАИШЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЩИТЫ ВХОДНЫХ ЦЕПЕЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Специальность:' 0I.p4.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сатад-Патероург - 1993

Работа выполнена в.Санкт-Петербургском'государственном электротехническом университете имени В.И.Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Вендак О.Г, Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мироненко И.Г. кандидат техническихн наук, ст.н.с. Липовко A.A.

Ведущая организация -Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе

Защита диссертации состоится " ^ */ «_/ С 1993 Г-

в // часов на заседании специализированног«} совета К 063.36.IX Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул.Проф. Попова, б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университетам Автореферат разослан __1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Соботковский В.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Настоящая работа посвящена вопросам реализации быстродействующих элементов защитных устройств (ЗУ) используемых дпя защиты входных цепей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) ВЧ-СВЧ диапазона от воздействия электромагнитных импульсов (ЭМИ).

Анализ показывает, что в настоящее время наибольшие трудности возникают при ^воздействии на РЭА ЭМИ повышенного уровня мощности с фронтами * Ю-9 с. Необходимость обеспечения высокого быстродействия ЗУ требует поиска для их реализации элементов, принцип действия которых основан ка быстропротекамцих физических процессах. К таким процессам следует отнести: переключение сверхпроводника из сверхпроводящего" (s) в нормалыюпроводящев (n) состояние (s-n переключение), лавинный пробой монокристаллического кремния и пробой поликристаллического Zno. Явление сверхпроводимости в радиочастотном диапазоне и на СВЧ наряду с резким снижением потерь открывает возможность реализации ЗУ, принцип действия которых основан на резком увеличении активной части поверхностного импеданса сверхпроводника при s-n переключении. На этом принципе могут бЫ1о реализованы широкополосные и частотно-селективные ограничители ВЧ-СВЧ мо-1днооти. Диелактричоокио овойотва монокриоталличеоких полупроводников при глубоком охлаждении и возможность управления их объемной проводимостью с помощь^-электрического поля, а также резко выраженная. нелинейность поликристаллической керамики zno и чрезвычайно малое время переключения zno варистора при воздействии ЭМИ также перспективны для реализации элементов защитных .устройств.

Практическая реализация защитных устройств на основе сверхпроводниковых пленок и охлаждаемых моно- и поликристаллических полупроводников, оценка их параметров и предельных возможностей связаны с решением ряда научных проблем.

1. Исследование явления ударной ионизации в объемных образцах монокристаллического кремния при т < 20 К и зависимости временных характеристик развития лавинного пробоя от величины электричаского поля и типа концентрации примесей.

2. Экспериментальное исследование высокочастотных свойств zno

варисторных структур и их переключающих свойств при импульсном воздействии с целью определения перспективности построения на их основе защитных элементов ВЧ-СВЧ диапазона.

Использование варисторных структур в качестве элементов защиты входных цепей ВЧ и СВЧ диапазона накладывает требование минимизации емкости структуры. В связи с этим важным моментом является уменьшение площади традиционных варисторов и/или переход к пленарным структурам. Параметры таких структур, в том числе частотная зависимость емкости и Потерь в ВЧ-СВЧ диапазоне, исследованы недостаточно. В особенности это относится к свойствам варисторных структур при криогенных температурах.

3. Анализ широкополосных и резонансных структур различного диапазона частот, содержащих, сверхпроводниковие пленки при их переключении из сверхпроводящего (г)в нормальнопроводящее (ы) состояние и анализ температурного режима пленки высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) при импульсном воздействии, дающий оценки пороговой энергии, рассеиваемой в ВТСП пленке. В настоящее время импульсные свойства ВТСП пленок при высоком' уровне ЭМИ изучены сравнительно мало.

4. Разработка и исследование элементов защиты СВЧ входных цепей РЭА от ЭМИ на основе сверхпроводаиковых пленок (выполняющих роль ограничителя амплитуды импульса), монокристалличёского кремния и поликристаллического гпо (выполняющих роль твердотельного разрядника).

Следует также учесть, что для реализации защитных устройств необходимо знание пороговых уровней поврегдения. полупроводниковых элементов входных цепей РЭА.

Целью работы являлось исследование в статическом и импульсном режимах сверхпроводниковых и полупроводниковых охлаждаемых элементов защитных устройств, а. также изучение их 'высокочастотных свойств для реализации на их основе быстродействующих' устройств защиты от ЭМИ входных цепей РЭА ВЧ-СВЧ диапазона.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- проведены комплексные исследования свойств однородно легированного технического коемния различных марок в статическом и да-

намическом режимах при криогенных температурах как при наличии, так и в отсутствии постоянных магнитных полей; получены временные характеристики развития низкотемпературного примесного пробоя в объеме однородно легированного si;

- впервые в практике создания СВЧ устройств реализованы ограничители сантиметрового диапазона (300 МГц, 10 ГГц) на основе по-гакристаллического zno, по своим параметрам не уступающие аналогичным устройствам на традиционных полупроводниковых элементах и превосходящих их по быстродействию;

- на основе пленок YBa2cujo7_x впервые реализован не имеющий аналогов ни в России, ни за рубежом, быстродействующий фильтр-ограничитель нижних частот;

- на основе сверхпроводниковых пленок мьм на si подложке реализован широкополосный (20 ГГц) интегральный защитный элемент сочетающий свойства ограничителя (пленка мьы) и твердотельного разрядника (si подложка).

Практическую ценность работы представляют:

- экспериментальные значения статических и динамических нап-ряженностей' электрического толя пробоя в монокристаллическом' si различных марок, а также данные исследований времени задержки низкотемпературного лавинного пробоя в si, позволяющие реализовать последовательность защитных элементов с разнь.л порогом срабатывания;

- данные исследований по влиянию охлавдения варисторных zno-структур до температур азотного уровня на их высокочастотные свойства, позволяющие, кроме расширения частотного диапазона их применения, использование их(совместно с защитными элементами выполненными на основе ВТСП;

• - расчетные данные по предельной энергии ЭММ рассеиваемся ВТСП пленками на мдо-подлокке;

- реализованные макеты СВЧ защитных элементов на основе свер-хпроводниковдх пленок и охлаждаемых моно- и подакрлсчйл«ичееких полупроводников и рекомендации конотрукторсдо-твзшг.лппчогкст характера, выработанные в результате их испытаний;

- разработанная методика исследования ст-;Як.;. '..л.роыд-никовых приборов к воздействии ЭМИ, позлолящня спред'!г>'гь ипрого-

вые значения напряжений и энергий- ЭМИ вызывающие повреждение элементов РЭА, и позволяющая выявить наименее стойкие места полупроводниковых приборов.

Научные полояения, выносимые на защиту:

■ I. На основе монокристаллического si (р = (0,3 + 200) Ом-см) при гелиевом уровне температур возможна реализация твердотельных защитных устройств с временем срабатывания - Ю-®' с для защиты входных цепей высокочастотной РЭА (включая СВЧ диапазон).

2. Использование пленарных zno варисторов с собственной емко-, стью с » 0,2 пФ позволяет реализовать быстродействующие элементы защиты с временем срабатывания s 0,1 не и вносимым затуханием в режиме "открыто" l < I дБ в диапазоне частот вплоть до г »г Ю ГГц.

3. На основе сверхпроводниковых пленок возможна реализация ВЧ-С8Ч элемента защиты включаемого последовательно с защищаемой нагрузкой, характеризующегося низким порогом срабатывания по току i - (5 + 50) мА, временем срабатывания < 0,1 си вносимым затуханием в режиме защиты l * 30 дБ.

■ Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсувдались на:

- 8th International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Wroclaw, Poland. 1988.

- 7th European Conference on Electrotechnics, Paris. 16SS.

- 19th I - t«L- r nati o.'Uil Conference on Lightning Protection, Gratz, Austria, 1888. .

- lO International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Wroclaw, Poland, 1690.

- I Seminarium nt. "Przepiecia w urzadzeniach elektrycznych i plelctronleznych". Bialystok, Poland, . 1 ООО.

- II Seminarium nt. "Przepiecia w urzadzeniach elektrycznych 1 elektronicznych", Bialystok, Poland, 1931.

- 1892 International Conference on Electromagnetic Compatibility. Beijing. China, 1992.

Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в двенадцати печатных трудах, опубликованных в научных журналах и тези-

- б -

caí докладов на конференциях.

Структура и объеи работы. Диссертация состоит из введения, трех глав с выводами, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 148 наименований и двух приложений. Основная част{> работы изложена на 9G страницах машинописного текста. Работа содержит 84 рисунка, 10 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертации; выделен круг научных проблем связанных с электромагнитной совместимостью РЭА, и особенно, с защитой входных цепей РЭА от ЭМИ; обоснована актуальность исследований сверхпроводниковых пленок и охлаждаемых моно- и поликристаллических полупроводников, а также исследований пороговых уровней повреждения полупроводниковых элементов входных цепей РЭА; сформулирована цель работы и определены основные задачи исследования; сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В разд.1.1 описаны источники основных электромагнитных импульсов (ЭМИ): грозового ЭМИ (ГЭМИ), ядерного ЭЫИ (ЯЭМИ),'микроволн большой мощности (МБМ), а также импульсов, возникающих при электростатическом разряде (ЭСР), необходимые для выбора-требований к элементам защитных уствойств (ЗУ). Показано, что стойкость полупроводниковых элементов входных цепей РЭА к воздействию ЭМИ (пороговые уровни повреждения элементов) на несколько порядков, ниже уровней ЭМИ, что может приводить к повреждению элементов входных цепей РЭА.

В разд.1.2 рассмотрены современные элементы защиты РЭА от ЭМИ. Достаточно условно, для удобства рассмотрения, защитные элементы разделены на две группы относительно частотного диапазона их применимости. Показано, что каждому из рассмотренных элементов присущи специфические недостатки (по быстродействию, порогу срабатывания, граничной частоте, собственной энергостойкости). При этом наибольшие трудности возникают при защите входных цепей РЭА БЧ-СВЧ диапазона (наименее) энергостойкие элементы), повреждение которых

может происходить вследствие высокой скорости нарастания переднего фронта ЭМИ и его прохождение через ступени защиты на основе традиционных элементов, что связано с отсутствием элементов защиты с временем срабатывания менее Ю-9 с.

В заключение анализа энергостойкости элементов РЭАи элементов защиты от ЭМИ сделан вывод о необходимости поиска элементов защиты с временем срабатывания, меньшим или порядка I0"9 сек.

Раздел 1.3 посвящен обзору электрофизических свойств монокри-стиаллического кремния при криогенных температурах с точки зрения построени i элементов ЗУ на его основе. Показано влияние понижения • температуры на основные электрофизические характеристики (проводимость, подвижность, дрейфовая скорость носителей) монокристаллического кремния. На основе анализа статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) делается заключение о перспективности построения твердотельных криогенных разрядников на основе монокристаллического кремния. Сделан вывод о необходимости исследования динамических ВАХ и временных характеристиках развития лавинного пробоя (ЛП).

. В разделе 1.4 рассмотрена структура поликристаллического zno и варисторов на основе данного материала. Известно, что традиционные zno варисторы характеризуются высоким быстродействием (порядка 10 сек), но одновременно они обладают большой собственной емкостью (с * q,i - ю нф), что ограничивает частотный диапазон и затрудняет их использование в ВЧ-СВЧ диапазоне. Вследствие этого особое внимание уделено рассмотрению нелинейны^ и импульсных свойств варисторов, исследованиям частотных зависимостей емкости варисторов и диэлектрических потерь. Эти свойства рассматриваются на основе модели, представляющей варистор как совокупность последовательно-параллельных соединений единичных элементов, состоящих из пары проводящих элементов 2г.о, разделенных изоляционным межзе-ренным слоем. Показано, что основные ограничения на использование варисторов в качестве ВЧ-СВЧ элементов защиты связаны не с физическими свойствами 2по керамики, а с особенностями конструкции реальных варисторов, выпускаемых промышленностью.

В разделе 1.5 представлен краткий обзор основных свойств сверхпроводниковых пленок с целью определения перспективности их использования в качестве элементов защиты от ЭМИ. Анализ статических ВДХ показывает принципиальную возможность использования сверх-

проводниковых пленок, однако с точки зрения реализации быстродействующих устройств защиты на основе переключения из сверхпроводяще-рр в нормальяопроводящее состояние наибольший интерес представляет исследование этих пленок при воздействии ЗМИ. Из анализа литература радно преобладающее влияние структуры пленок на их электрофизи-черщд характеристики» делается вывод о необходимости использовали?? fiJjeHQfc cq структурой рысокой степени ориентации. Показано, что s-n переключение происходит за время h , существенно меньшее fQ~9 сек, и ts_n уменьшается с ростом амплитуды ЭМИ. Анализ ВЧ-СВЧ сройств срерхдроводящих пленок показал перспективность реализации ца их осцорд устройств защиты вплоть до миллиметрового диапазона длин волн. Из дндлдоа.литературы видно, что наиболее важными нерешенными пробдещми построения ЗУ.на основе сверхпроводниковых материалов является сам принцип построения защитных устройств и их энергетическая стойкость.

Вторая глава диссертационной работы посвящена экспериментальным тискам новых классов защитных элементов на основе полупроводников для гелиевого и азотного уровней температур.

Разд. 2.1 посвящер исследованию статических и динамических характеристик {сремниердх элементов защиты без р-п переходов при Т < 20 К, работающих на принципе переключения объема полупроводника из высокоомйого (о) в низкоомное (с) состояние (d-c переключение). В то же время, данных по низкотемпературному пробою si до настоящего времени мало и они-относятся к Т « 20 К. Для создания ЗУ от ЭМИ требуются дополнительные исследования низкотемпературного пробоя в si. Исследования проводились на изготовленных по планарной технологии образцах кремния промышленных марок п- (КЗФ 1,0 + 250) и р-типа (КДБ 0,3 + 40) с ориентацией (III). Образцы имели форму плоскопараллельных пластин (5 х 8 ммг) толщиной (200 + 350) мкм с омическими контактами диаметром (0,3 + 2) мм. В результате статических исследований была получена температурная зависимость электропроводности о (т)'и вольт-амперные характеристики (ВАХ) при т = (4,2 + 20) К.' Показано, что напряженность поля пробоя зависит от уровня легирования и толщины si-элемента и для всех исследованных мапок технического si лежит в диапазоне е = (2-I04 + 3I05)

4 ^ n!J. С I1 . '

В/м при т = (4,2 - 20) К. Для исследования d-c переключения в ди-

намическом режиме 31-образцы включались между Центральным и "земляным" проводниками полосковой 50-омной линии, отрезок которой через коаксиально-полосковые перекоды включался в коаксиальный измерительный тракт. Использование импульсных Е-поЛеЙ позволило исследовать кинетику развития ЛП в г! при одновременном значительном расширении диапазона значейий Е-поля. При низкотемпературном примесном пробое 'креМния изменение сопротивления образцов превышает 6 порядков и меняется длй всех Марок от я > Ю7 Ом в Ь состоянии до единиц Ом в с состоянии, когда Е/кпр ст >10. о-с переключение Ь объеме однородно-легированного а позволяет обеспечить высокое быстродействие защитных прйборйЁ. Время задержки ударной Ионизации т определяется перенапряжением й.длй всех исьледова'нных Марок при Ё/Епр ст > ю снижается до единиц не. БреМя устайокйеййя Проводящего состояния кремния при Пробое тг з 10 не при е > 1ц5 В/М. В области низких температур (т < 20 К) практически является диэлектриком с узкой запрещенной зоной и обладает высоким удельным сопротивлением р > 104 Ом-м. Наблюдаемое резкое увеличение проводимости 51 в сильных е-полях (е > Ю4 В/м) объясняется уДарйой ионизацией примесных атомов, вызывающей ЛП в зд. Малая емкость -образцов (с а Б-Ю-3 + Б-Ю-1 пф) гарантирует низкий уровень потерь полезного сигнала криоэлектронных микрополосковых элементов управления и защиты на основе монокристаллического технического вплоть до рабочих частот порядка 20 ГГц. Это позволяет реализовать новый класс защитных элементов с широким диапазоном порогового напряжения, которое легко регулируется уровнем легирования кремния. Слабое влияние магнитного шля в области н < 1,6-Ю3 А/М на статические и импульсные характеристики образцов, которое объясняется относительно малой подвижностью носителей в , позволили сделать вывод о нецелесообразности управления параметрами устройств использующих низкотемпературного ЛП в ^ с НоМощью магнитных полей. Таким образом исследования показали, что объем однородно легированного г! может быть использован для реализации твердотельного разрядника.

В разд. 2.2 приводятся результаты исследования образцов поликристаллического 2по с целью реализации на их основе быстродействующих варисторных элементов защиты от ЭМИ работавдих в температурном диапазоне Т £ 78 К. Это особенно актуально в связи с появле-

шем элементной базы РЭА основанной tía пленках ВТСП.

Известно, что традиционные гпо-варйсторы характеризуются высоким быстродействием - Ю-9 с, но одновременно они обладают большой собственной емкостью (с - 0,1 + 10 нФ), что ограничивает чао-тотный диапазон и не позваляет на их Применение на СВЧ. Для расширения частотного .диапазона были реализованы варисторные структуры с поперечным сечеиюм 1x1 мма¿ толщиной 0,53 * 1,75 мм (объемные структуры) полученные уменьшением геометрических размеров традиционных вариаторов, ©лкость объемных структур лекала в диапазоне (6 + i00) пф. Существенное, вплоть до % 0,2 пФ, снижение собственной емкостй варисторных образцов было достигнуто при Использовании пленарной технологии, создания варисторных структур, которые оылй выполнены в виде пленки Zno толщиной « 50 .мкм нанесенной на диэлв-. Ктркческую подложку из керамики 22ХС.

Исследования статических ВАХ показали, что при Т = 300 К коэффициент нелинейности ВАХ составляет для объемных варйсторов( « л 35 + 50), пленарных -(а * 10 + 20). и уменьшается, соответственно, до значений а % 13 + 30 и <* « 5 + 10 при снижении рабочей температуры до 78 К. Охлавдение исследованных zno-структур еайрбВОйдалось Takse уменьшением емкости в 1,5 + 2 раза (при f = I КГЦ) и уедлишением классификационного напряжения (икл) на (15 + 30) Для исследования частотных и динамических характеристик объемные гко-структуры включались в микрополосковую, а пленарные - в копла-ЙЕфную линии передачи между центральным и "земляным" проводниками Лиши. Динамические характеристики варисторных структур определялись tro той же методике, что И длй структур на основе монокристал-личвсйого кремййя и их импульсные ВАХ качественно аналогичны. Ослабление полезного сигнала {U << йкЛ) для объемных образцов с С 2 10 ni составляло L s Í дБ fetuioib до 300 МГц, а для пленарных вари-сторой (С % 0,2 пФ, ширина зазора между электродами w = 70 мкм) -L s I дБ вплоть до f as Ю ГГц. Время срабатывания варисторных элементов не превышало 0,3 не при т = 78 и 300 К. Основным недостатком Zno-структур является деградация их параметров при воздействии серии импульсов. Однако полученные результаты определяют перепек-тивнотсь использования исследованных zno-структур для реализации защитных устройств с азотными и комнатными рабочими температуря®!.

Третья глава посвящена элементам защиты РЭА от ЭМИ на основа сверхпроводниковых пленок. В настоящее время практически не решен вопрос быстродействующих последовательно включаемых элементов ВЧ И СВЧ диапазонов для защиты входных цепей РЭА от ЭМИ. Как показано в разделе 1.5 именно сверхпроводниковые пленки перспективны для реализации таких элементов.

Разд. 3.1 посвящен анализу нагрева пленки ВТСП при импульсном воздействии. За критический параметр, определяющий предельный уровень энергии wnpeA рассеиваемой в" пленке ye^ci^o^ на подложке из мдо, была принята температура нарушения кислородной стехиометрии УВагсиэо7 х (т =* 900 К). Задача сводилась к рассмотрению температуры полубесконечного (х > 0) твердого тела (мдо), на поверхности которого в течение длительности импульса ти поддерживается постоянная плотность теплового потока, а по окончания ршульса ро-верхность х = о теплоизолируется. Решением уравнения терлоцрощод-ности получены зависимости изменения температуры пленки во времада при плотности потока мощности как параметра. Доподаите-Дьно, ifa основании программы численного моделирования фирмы о.к. four был проведен машинный расчет распределения температурного поля методом конечных элементов, для пленок с конечной шириной w и длиной i, 9 также с учетом конечной толщины подложки (ь = 0,5 мм). Из приеденных оценок следует, что пленка УВагсиао7на подложке мдо при s = wi = (20 + 100) мкм х (2 + 200) мм может рассеивать без деградации энергию w - (0,4 + 400Дж, что при т'и = Ю-6 с составляет (4-Ю-3 + 0,4) Дк: Эти значения превышают энергию деградации многих активных элементов входных цепей радиоэлектроники, что обеспечивает возможность создания на основе пленки ВТСП элемента ЗУ, рассеивающего и/или отражающего энергию ЭМИ.

Разд. 3.2 посвящен аналитическому рассмотрению широкополосных и резонансных структур при s-n переключении сверхпроводниковых пленок. В качестве широкополосного ЗУ рассматривался отрезок мик-рополосковой линии передачи (МИЛ) с включенным в него переключаемым сверхпроводниковым элементом, длиной i и шириной w, и с волновым сопротивлением z. Расчет ослабления (l) и коэффициента отражения (Г) проводился для отрезков с различными значениями i, w и поверхностного сопротивления R. При этом r = Ю-3 Ом характеризует s состояние СП пллшн, a r = Г, 10 и 50 Ом - м состояние. Получено,

что в n состоянии величины l и Г практически не зависят от частоты вплоть до 10 ГГц. Для е = 10 Ом затухание - 20 дБ может быть получено на длине ~ 3 мм. При этом величина Г > 0,8, т.е. это затухание обусловлено прежде всего отражением от отрезка.

В качестве резонансного защитного устройства рассматривался фильтр-ограничитель (ФО) на основе резонансного контура с квазисосредоточенными параметрами. Получены выражения, определяющие коэф-фиценты отражения (Г), проховдения (Т) и поглощения (Р) в терминах .нагруженной о^ и собственной Qo добротностей для ФО, выполненного на основе коротких (по сравнению'с длиной волны х.я) отрезков мик-рополосковых линий в s и n состояниях. Анализ полученных соотношений показал, что для обеспечения на резонансной частоте ослабления в режиме "открыто" lqS < 0,1 дБ, а в режима "закрыто" loN > 20 дБ необходимо переключение добротности на два порядка, что обеспечивается за счет s-n переключения индуктивного элемента контура.

Разд. 3.3 посвящен эксвдримейтальному исследованию ЗУ содержащих сверхпроводниковые пленки.

В разд. 3.3.1 приведены результаты исследований низкотемпературных широкополосных защитных устройств: каскадной схемы ЗУ состоящей из отдельных мьм и si элементов и интегрального NbN-si защитного элемента. Каскадная схема защиты состояла из включенного параллельно (относительно входу РЭА) si элемента, который представлял собрй плоскопараллельную пластину однородно легированного (в, р) монокристаллического si с размерами (4 х 8 х 0,35) мм3, на про-г тивополокных поверхностях которой сформированы невыпрямляющие контакты диаметром I + 2 мм, а в качестве последовательно включенного элемента ЗУ, применялись две НТСП структуры: одна была выполнена в виде иьы мостика длиной 14 мм, а другая в виде микрополосковой мв-ендровой структуры длиной l = n i = 105 мм. Испытания на энергостойкость показали, что при энергии испытательного импульса w < 13 Да и амплитуде 2,5 кВ реализованные макеты каскадного ЗУ позволяют уменьшить амплитуду импульса попадающего на 50-омный вход РЭА на (2 + 3) порядка, а полная энергия прошедшего импульса составляет I0~s + Ю" от полной энергии входного импульса. При этом ограничение тока в нагрузке за счет НТСП элемент« происходит за доли не (при скорости нарастания импульса напряжения 10a кВ/мкс). Если предельная энергия ЭМИ рассеиваемая в sí элементе превысит 5 £х, в

цепь полупроводникового элемента необходимо включить дополнительный резистор к0. Потери, вносимые ЗУ в рабочем режиме не превышали 0,2 дБ в диапазоне частот (10 + 100) МГц. Большую широкополосность ЗУ, до г - 20 ГГц, можно обеспечить с помощью интегрального элемента ЗУ, который представляет собой отрезок микрополосковой линии, сформированный пленкой иьы (толщиной 4 = (10 + 200) нм, шириной V = (70 -г 200) мкм, длиной I = 2 мм) на а. подложке, выполненной в виде плоскопараллельных пластин гх марки КЗФ-1,0 (толщиной 350 мкм, с поперечными размерами (5x8) мм2 и ориентацией иш). Реализованный макет быстродействующего интегрального элемента защиты, охлаждаемый до 4,2 К, обеспечивает ослабление амплитуды напряжения ЭМИ на 40 + 60 дБ при времени срабатывания макета менее 0,3 не.

В разд. 3.3.2 представлены результаты исследований защитного фильтра нижних частот (ФНЧ) реализованного на пленках увг^с^о^ для азотного уровня темератур. ФНЧ может быть использован как широкополосный защитный элемент, слабые звенья которого' (с малой шириной и) переходят в N состояние при воздействии ЭМИ. Фильтр был изготовлен на подложке мдо с подслоем сва,Егзтю3 размером 10 *'10 мм2 и толщиной 0,5 мм: Исследования показали, что защитный ФНЧ на основе ВТСП пленки обеспечивает в диапазоне частот вплоть до 10 ГГц в э состоянии затухание < I дБ при Г * 0,02 и в режиме защиты затухание более 20 дБ при Г я: 0,2 + 0,5. Порог срабатывания ограничительного ФНЧ - (0,1 + I) В, что соответствует критическому току (I + 10)тА. На частотах вплоть до 8 ГГц ФНЧ "обеспечивает ограничение прошедшей мощности на уровне (0,2 + 2) Вт при падающей мощности до 100 Вт и длительности воздействующего импульса Ю-6 с.

В заключении кратко изложены основные результаты работы:

I. Исследовано поведение образцов однородно легированного мо-нокристалличэского кремния промышленных марок при гелиевых температурах в сильных электрических полях. Показано, что: сопротивление кремниевого образца при пробое меняется более чем на 7 порядков; напряженность поля пробоя слабо зависит от температуры в диапазоне температур (4,2 - 20)К, магнитные поля в < 0,2 Тл не оказывают заметного влияния на пороговое напряжение лавинчого пробря; времн задераки ударгай ионизации достигает I + 5 не, а время уега-

давления низкоомного состояния * 10 не при десятикратном превышении напряженности поля пробоя.

2. Исследованы высокочастотные свойства защитных элементов на основе поликристаллических zno варисторов. Показано, что на основе объемных структур zno варисторов возможна реализация защитных элементов с рабочим диапазоном до 300 МГц, а на основе планарных -структур - до 10 ГГц с затуханием полезного сигнала l < 1,0 дБ. Охлавдение до т = 78 К гоозволяет снизить емкость Zno структур в 1,5 + 2 раза, расширяя частотный диапазон их использования и позволяет совмещать 2по варисторы с защитными элементами на основе ВТСП пленок. Основными недостатками варисторных элементов являются деградация их параметров при воздействии серии импульсов, а преимуществом - сверхвысокое быстродействие, меньшее 0,3 не.

3. Проведен тепловой расчет сверхпроводникового элемента защиты на основе ВТСП пленок (YBa2Cugo7 ^) при воздействии ЭМИ. Показано, что предельная знэрщя, не приводящая к деградации ВТСП элементов, составляет примерно Ю-1 Дк, при длительности импульса 1мкс, что существенно превышает предельные уровни энергии повреждения большинства элементов входных цепей РЭА.

4. Проведен анализ защитных элементов на основе сверхпроводниковых пленок. Показано, что фильтр нижних частот на основе ВТСП пленок обеспечивает в диапазоне частот вплоть до 10 ГГц в s-состоянии затухание ц_ < I дБ, а в режиме защиты (N-состояние) затухание ln > 20 дБ при |г| = 0,2 + 0,5 и может быть использован в качестве элемента защиты.

5. Разработан и испытан лабораторный макет защитного ФКЧ на основе ВТСП пленок (УВао.мэ7 к). На частотах вплоть до 8 ГГц ФНЧ обеспечивает ограничение прошедшей мощности на уровне 0,2 + 2 6т при падающей мощности до 100 Вт без деградации характеристики ФНЧ' и при длительности воздействующего импульса Ю-6 с. Порог срабатывания СНЧ - (0,1 - I) В, а время срабатывания менее 0,3 не.

В приложении I представлены испытательные стандартные импульсы используемые для имитации воздействия ЭМИ на РЭА.

В приложении 2 представлены экспериментально результаты исследования стойкости полупроводниковых приборов к воздаст мот ЪШ.

Изложена методика испытаний, рассмотрены основные типы повреждений полупроводниковых приборов и сделаны вывода о наименьшей стойкости ВЧ-СВЧ транзисторов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Zi el enk i ewi cz M-, Sowa A.» Florynski R. Elementy i uklady

œhrony przepieciowej (Элементы и схемы защиты от перенапряжений)

/х- Wiadomosci Elektrotechniczne CPoland]). - 1093. - N ЗС797Э. - F. 00-98.

2. Sowa A. , Augustyniak L. , Zielenkiewicz H. Metodyka zabez-pieczania urzadzen elektrycznych i elektronicznych przed narazeni-ami impulsowymi// Seminärium nt. "Przepiecia w urzadzeniach elekt-rycznych i elektronicznych", Bialystok, 1990. - P. 63-76.

(Методика защиты электрической и электронной аппаратуры от электромагнитных импульсов)

3. Karpiuk А. , Ziélenkiewicz M. Wysokoczestotliwosciowe elementy zabezpieczajace do ochrony przed impulsant! elekiromagnetycz-nyrni Cprzegladi// Seminarium nt. "Przepiecia w urzadzeniach ele^t-rycznych i elektronicznych". - Bialystok, - 1991. - P. 5C-7C

(Высокочастотные защитные элементы для защиты от электромагнитных импульсов (обзор))

4. Zielenkiewicz M. Odpornosc na dzialanie szybko naràstajaq-ych impulsôw elektromagnetycznych przyrzadöw pölprzewodnikowych, stosowanych powszechnie w urzadzeniach elektrycznych i elektronicznych''/ Senilnarium nC. "Przepiecia w urzadzeniach elektrycznych i elektronicznych". Bialystok 19 pazdziernika. - 1990. - P. lOl-lll.

(Стойкость к воздействию быстро нарастающих электромагнитных импульсов на полупроводниковые элементы широко распространенные в электрических и электронных устройствах)

5. Sowa А. , Zielenkiewicz M. The Digital Integrated Circuits Susceptibility to Influence of LEMP and NEMP// 8th International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Wroclaw,, Poland. — 1Й86. - P. 853-833.

6. Sowa A. , Zielenkiewicz M. Die Testung der Empfindlichkeit bei B11 tzrjirischlägen gegen Stoßspannungen zur Simulation

Gel Ährdung durch B1 itzüber-Spannungen// löth Int. Conference ,pjj Lightning Protection, Gratz. - 1688. - P. 307-309.

7. Вендак О.Г., Гейдукоз М.М., Козырев А.Б., Самойлова Т.Б., Веленкевич М. Исследование ударной ионизации в конокристаллическо?л кремнии при т - 4,2 К// ФТТ. - 1985. - Т. 27, » 3. - С. 931-932.

8. Zlelenklewlcz М. , Sowa A. New possibilities offered by semiconductors in electric fields and cryogenic temperatures// ?th European Conference on Electrotechnlcs. Paris, April 21-23. -1688. - Paper C.1.10.

9. Gaidukov M. »1. , Sowa A., Zielenkiewicz M. Some Investigations of the Now Type Transient Protective Devices// 8th International Symposium on Electromagnet^' Compatibility, Wroclaw, Poland.

- 1Q86. - P. 813-823.

10. Gaidukov M. M. , Samoilova Т. B. , Karpiuk A., Zielenkiewicz M. Metal-oxide Varistors for Transient Protection Microwave Devices// 1992 Int. Conference on Electromagnetic Compatibility, -Beijing. China', May 23-27. - 1SS2. - P. 817-610.

11. Gaidukov M. M. , Kole^ov fe. G. . Kozyrev A. B. , Vendik O. G. , Karpiuk A., Zielenkiewicz M. Millimeter Waveguide Limiter.// Proc. 10 Int'ernat. Symp. on Electromagnetic Compatibility, EMC-00, Wroclaw; 1SOO. - P.. 689-603.

12. Gatzura. E. F. , Gaidukov M. M. , Kozyrev A. B. , Samoilova -Т. B. , Zielenkiewicz M. Cryoelectronics elements for the device -protecting against EMP// Proc. 10 Internet. Symp. on Electromagnetic Compatibility, EMC-90. Wroclaw, 18SO. - P. 839-044.

Подл, к печ. 23.11.93. Формат 60 х 84 I/I6. Офсетная печать Печ. л. 1.0; уч.-изд. л. 1.0. Тиран 100 экз. Зак. й 253. Бесплатно

Ротапринт СПГЭТУ 197376, Санкт-Петербург,' ул. Проф. Попова, 5