Стойкость маломощных полупроводниковых приборов СВЧ к импульсным электромагнитным воздействиям тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ 5 ОМ

На правах рукописи

Э ¡Ил1

ЯКИМОВ Алексей Владимирович

СТОЙКОСТЬ МАЛОМОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ свч К ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКГРОМАГНИТШМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-ПвтерОург - 19Э6

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Усыченко В.Г.

Официальные .оппоненты: доктор технических наук, профессор Корнилов С.А., доктор физико-математических наук, доцэнт Сидоров В.Г,

Ведущая организация: РНШ "Электронстандарт" (С-Потербург).

Защита состоится "Z'fr* ¿Xsct'l/i, 1996 г. в —часов на на заседании диссертационного совета К.063.38.11 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: I95251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29, учебный корпус £ , вуд. .

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке технического университета.

Автореферат разослан "/2- 'Üо1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Загрядский О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Безотказность работы СВЧ-приемников в условиях воздействия на них интенсивных электромагнитных помех в значи-тэльной- степени определяется стойкостью маломощных полупроводниковых приборов (ПП),'используемых во входных приемных устройствах -- усилителях,, смесителях, детекторах. Проблема их отказов, вызванных выгоранием - деградационным изменением характеристик ПП при электрической перегрузке, возникла в связи с невозможностью полной защиты первых точечных диодов от воздействия СВЧ-импульсов (СВЧИ), излучаемых передатчиком собственной или посторонней радиосистемы. В дальнейшем отказы ПП этого класса интенсивно изучались для режимов воздействий электромагнитным импульсом (ЭМИ) естественного или искусственного происхождения (гроза, высоковольтные установки, ядерный взрыв). В случае проникновения ЭМИ во входной СВЧ-тракт прошедшая его часть образует СВЧИ. Исследование отказов маломощных ПП продолжается по следующим причинам.

I) Разрабатываются более совершенные типы приборов, причем предъявляемые к ним требования высокого быстродействия вступают в противоречие с требованием стойкости к электрической перегрузке.

2 усложняется помеховая обстановка в СВЧ-диапазоне, изготавливаются новые источники мощных ЭШ и СВЧИ. В результате расширяются диапазоны длительностей и частот возможных интенсивных электромагнитных воздействий, опасных для ПП входных СВЧ-каскадов.

Эти обстоятельства заставляют искать также методы оценки стойкости подобных приборов к воздействию широкого спектра электромагнитных помех на стадиях их разработки и применения. Однако достаточно универсальные и точные метода оценки до настоящего времени не были получены. Обычно для оценки стойкости к воздействиям СВЧИ и ЭШ пытались найти эквивалентные им по своему результату воздействия тестовыми прямоугольными видеоимпульсами' (Ш). В то же время, полностью условия такой эквивалентности при различных параметрах воздействий и схемах включения ПП не были известны. На наш взгляд, этому препятствовала недостаточная изученность механизмов отказов, что приводило и к множественности используемых характеристик стойкости. Были разработаны весьма приближенные линейные модели, позволяющие оценивать с точностью до порядка пороговую мощность (энергию) воздействий, превышение которой приводит к выгоранию,- так называемую мощность (энергию) выгорания. Большая погрешность возникает в

1

первую очередь из-за неполного учета влияния нелинейных зависимостей электрических и тепловых параметров от температуры. Такие модели не предсказывают поэтому и режимы возникновения электротешга-вых неустойчивостой, которые также могут влиять на величину мощности выгорания. Нелинейные модели были разработаны для расчета таких режимов в стационарном тепловом состоянии, когда длительность импульса воздействия т»^ (т^- время тепловой релаксации ПП), и для приборов, отличающихря по конструкции-и характеристикам от маломощных СВЧ-диодов и транзисторов. В то хе время, эксперименты показывают, что при достаточно коротких и интенсивных воздействиях происходит локальное повреждение барьера ПП, а при длительных (им соответствуют меньшие мощности выгорания) - повреждение значительной части площади барьера. Причины этих различий неизвестны. Представляется, что прояснить ситуацию может анализ условий неоднородного протекания тока через барьер и его нагрева. Кроме длительности воздействий существенное влияние на условия неоднородности нагрева может оказать полярность тока, протекающего через барьер. В настоящее время установлено, что механизмы выгорания при воздействии ВИ прямой и обратной полярности на барьер ГШ различны. Однако о том, как влияет на условия СВЧИ-выгорания протекание значительного обратного тока при больших напряжениях автосмащения, почти ничего не известно. На механизм выгорания Оольшоэ влияние может оказать и схема включения прибора, определяющая различные виду обратных связей, но этот вопрос в литературе о выгорании не рассматривался.

Практически не изучены временные (обратимые) изменения СВЧ-, вольтамперных и шумовых характеристик маломощных СВЧ ПП после электромагнитных воздействий. Неизвестно, в каких случаях они могут приводить к временным отказам (на время Ъ»т), определяя уровень стойкости приборов и приемных устройств СВЧ.

Тагам образом, недостаточная изученность отказов маломощных СВЧ ПП, отсутствие точных расчетных моделей, незнание полных условий эквивалентности разных воздействий, а также наиболее универсальной характеристики стойкости всех ПП данного класса одновременно к воздействиям СВЧИ, ЭМИ и ВИ (как имитации СВЧИ и ЭМИ) не позволяли разработать болев точные и универсальные метода оценки стойкости.

Цель настоящей работы - построение моделей выгорания маломощных СВЧ-диодов и транзисторов и разработка на их основе методов оценки стойкости к воздействиям ЭМИ и СВЧИ.

Задачи работы ^

1. Провести теоретический анализ поглощения приборами энергии ЭМИ, СВЧИ и ВИ и условий возникновения электротепловых неустойчивос-тей для разных длительностей и схем подачи энергии этих воздействий.

2. Экспериментально исследовать обратимые и необратимые изменения характеристик маломощных СВЧ ПП и определить режимы их отказов после воздействий СВЧИ, ЭМИ и ВИ.

3. Найти условия эквивалентности воздействий (с точки зрения отказа ПП), определить наиболее универсальную характеристику стойкости приборов рассматриваемого класса и на этой основе разработать методы оценки их стойкости.

Научная новизна работы

1. Определены условия возникновения различных видов электротепловых нэустойчивостей маломощных СВЧ-диодов и транзисторов при стационарном и нестационарном (т^т^) режимах джоулева нагрева, а также условия влияния неустойчивостей на мощность выгорания приборов при воздействиях ЭМИ, СВЧИ и ВИ.

2. Проведен анализ зависимости мощности выгорания - порога отказа маломощных СВЧ ПП - от величин импедансов внешней цепи на СВЧ. и на НЧ, а также от значений сопротивления базы и напряжения обратного пробоя перехода прибора.

3. Показано, что при отсутствии электротепловой неустойчивости деградация маломощного СВЧ ПП, приводящая к его отказу при воздействиях ЭМИ, СВЧИ и ВИ, происходит после однородного даоулева нагрева активной области структуры до температуры плавления полупроводника.

4. Установлено, что при воздействии ЭМИ с длительностью фронта порядка 1 не энергия выгорания маломощных СВЧ ПП практически не зависит от полярности и длительности фронта импульса.

5. Показано, что обратимые изменения характеристик маломощного СВЧ ПП, возможные при мощности воздействия ниже порога выгорания, определяются величиной суммарного электрического заряда, перенесенного через его входной переход за общее время воздействия; такие изменения могут привести к временному отказу приемного устройства.

Практическая ценность работы

1. Обследованы и обобщены режимы обратимых и необратимых изменений характеристик приборов одного класса - маломощных СВЧ-диодов и транзисторов при воздействии СВЧИ, ЭМИ и ВИ;

2. Предложены простые и дешевые экспериментальные СВЧИ- и ВИ-

3

-метода оценки стойкости СВЧ ПП к воздействиям ЭМИ и СВЧИ;

3. Предложены экспериментвльно-расчетшй и расчетный метода оценки стойкости; получены практические рекомендации для разработки маломощных СВЧ-приборов и приемных устройств, стойких к воздействию интенсивных электромагнитных полей.

Реализация результатов работы

Диссертация является составной частью научно-исследовательских работ по темам й 905912, 905105, 905204, 905302, 905402, выполнявшихся по плану важнейших.работ отраслевой научно-исследовательской лаборатории радиотехники при СПбГТУ в интересах РНИ11 "Электронстан-дарт". Основные вывода, а также экспериментальные и расчетные метода, ¿слученные в данном исследовании, использованы "Электронстан-дартом" при разработке отраслевого методического руководства.

Апробация работы. Основные результаты работа докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях в РНШ "Электронстан- . дарт" (Ленинград, 1990г. и 1991г.), на семинаре "НЧ-шумы в полупроводниковых приборах и устройствах" (Черноголовка, ишь 1991г.), на 6-й научной конференции "Флуктуационные явления в физических системах" (Паланга, сентябрь 1991г.), на научной конференции в г.Ставрополе (август 19ЭЗг.), на научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (С-Петербург, апрель 1995г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации отражены в 4-х статьях, опубликованных в журналах "Изв.ВУЗов. Радиофизика", "Радиотехника и электроника", "Петербургский журнал электроники" и сборнике научных трудов СПбГТУ, в тезисах 2-х докладов на научно-техшческих конференциях. .

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Основной текст содержит 113 машинописных страниц, 37 стр. иллюстраций, 8 таблиц. Список литературы включает 99 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту

I. Предложенная нелинейная модель, которая описывает условия возникновения -элоктротопловых неустойчивостей в активных полупроводниковых областях маломощных СВЧ ПП, объясняет экспериментально наблюдаемое различие режимов выгорания и типов деградации структур этих; приборов при электромагнитных воздействиях длительностью как большей, так и меньшей времени тепловой релаксации.

2. При определенных в работе длительностях воздействий в обла-

—7 Р

ста 10 '-НО с, параметрах структуры и внешней схемы включения ма-лопумящих СВЧ ПП (в том числе, когда исключено протекание тока обратного пробоя) электротепловые неустойчивости' не влияют на режим выгорания, приводящего к необратимому отказу. Тогда этот режим определяется энергией, необходимой для однородного нагрева активной области прибора до температуры плавления полупроводникового материала.

3. В случав выполнения найденных в работе условий электромагнитные воздействия с разными энергетическими спектрами ( ЭММ, СВЧИ или ВИ) оказываются эквивалентными с точки зрения отказа маломощного СВЧ ГШ при равенстве энергий импульсов, поглощаемых прибором.

4. Амплитуда обратимых изменений характеристик маломощных СВЧ ПП определяется величиной суммарного электрического заряда, перенесенного через прибор за время воздействия.

lía защиту также выносятся: результаты экспериментального исследования обратимых и необратимых изменений характеристик и отказов кремниевых и арсенидогаллиевнх смесительных, детекторных диодов и малошумящих полевых транзисторов Шоттки СВЧ диапазона; экспериментальные, экспериментально-расчётный и расчетный методы оценки стойкости к воздействиям ЭМИ и СВЧИ; рекомендации по разработке стойких маломощшх СВЧ ПП и приемных устройств.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, определены цель и задачи, перечислены научные и практические результаты работы.

В первой главе обсуждены известные в настоящее время физические механизмы временных и необратимых отказов полупроводниковых приборов после электромагнитных воздействий. Сделан вывод о том, что мокно выделить основной двухступенчатый процесс, который реализуется в маломощных СВЧ ПП при воздействиях СВЧИ, ЭМИ и ВИ длительностью „ 10-10410гс и с интенсивными составляющими в диапазоне частот Г^100 ГГц. На первом этапе, после передачи энергии поля элак-.тронам и дыркам и изменения заряда ловушек на границах раздела в структуре ПП, он может приводить к обратимым изменениям характеристик ПП, а на втором этапе, после джоулева нагрева структуры до некоторой критической температуры,- к необратимой деградации (выгоранию). При этом неизвестно, насколько значительны обратимые изменения параметров ПП, возможны ли их временные отказы на время t»t.

Далее приведен обзор известных теоретических моделей выгорания.

5

Он показал, что в случае использования линейного уравнения теплопроводности для описания даоулева нагрева ПП удается рассчитать зависимости мощности выгорания Рь от длительности Ч, качественно соответствуйте экспериментальным. Однако количественное расхождение достигает иногда порядка, поскольку в линейных моделях выбор критической температуры выгорания и размеров нагреваемого объема в значительной степени произволен. Сделан вывод о том, что для большей определенности такого выбора необходим нелинейный анализ условий возникновения электротепловых неустойчивостей нагрева не только в стационарном режиме, но и в нестационарном. Дан обзор литературы по основным результатам экспериментального исследования выгорания СВЧ ГШ. Ярянализироваяы возможности современных моделей и методик с точки зрения их использования для оценки стойкости к воздействиям. Конкрвтиз1фоваш1 задачи исследования.

Во второй главе проведен сравнительный теоретический анализ поглощения прибором энергий ЭМИ и СВЧИ в открытом пространстве, ВИ, а также СВЧИ в закрытом СВЧ-тракте. Показано, что в случав воздействия ЭМИ на изолированную пару выводов рассматриваемые приборы можно представить электрическим диполем Герца с эквивалентной емкостью Са, причем входной ток практически ограничен ею, а не средним входным активным сопротивлением Щ1 йе. Тогда при обычной аппроксимации ЭМИ треугольным импульсом с длительностью фронта т^ « те (т: - длительность импульса, индексы "е","у" и "!" соответствуют случаям ЭМИ, ри и СВЧИ) поглощаемая прибором энергия равна

V >2/ а- . (1)

е е а е ф к '

Если при воздействии прямоугольного ВИ на ПП выполняются условия

V Уе • V ТФ • НГ V Са ' (2)

где - амплитуда напряжений на выходе идеальных генераторов напряжений ВИ и ЭМИ, сопротивление источника воздействия ВИ, то достигается не только равенство поглощаемых энергий №е= но и идентичность токов и напряжений на входном переходе ПП. При этом обеспечиваются равенство Ие = Яу и совпадение функциональных зависимостей поглощаемых энергий (мощностей) от входного сопротивления , что важно в связи с нелинейной зависимостью его от температуры кристалла и тока (напряжения). Тогда независимо от механизма отказа прибора условия (2) - это условия полной эквивалентности

воздействий ЭМИ и ВИ на ПП во всем возможны диапазоне значений их параметров (энергий, амплитуд и т.п.). Далее условия полной эквивалентности получены для воздействий СВЧИ в открытом пространстве (рогам хранения ПП) и СВЧИ в закрытом СВЧ-тракте (рабочий режим ПП):

■ V 7п • V г • ,/2хГСа= V2 » V «нг • (3)

где Уп~ амплитуда падающего в закрытом тракте СВЧИ длительностью т, 1^-волновоэ сопротивление тракта, Г-несущая СВЧИ, Ив-последователь-ное сопротивление (базы) входного перехода ПП, Кнт=НнИ-ехр(-т/тн)),

~ постоянная времени НЧ-нагрузки перехода. При моделировании воздействия в закрытом СВЧ-тракте использовалось приближение линейного детектора, т.е. входной ток 1=и/Н при игю и 1=0 при и<0. Однако, при выполнении (3), из-за идентичности внешних схем и приложенных к ПП напряжений, требование отсутствия обратного тока необязательно. При достижении области обратного пробоя мгновенными значениями СВЧ-напряжения, когда входная мощность Рвх= =*пад" Ротр пР0вшла9'1' ВЭЛИЧИНу

Ройр= и2бр-(в-зШв.соз9) / [2ТСЙа(1+СО30)2] , (4)

где иоб -напряжение обратного пробоя, 9-угол отсечки, определяемый уравнением й =(г§8-Э)/тс, условия (3) остаются прежними. Появление обратного тока можно учесть заменой величины йв на 1^/2. Такая же ситуация и в случае роста обратного тока при нагреве перехода до температуры Г и увеличении тока насыщений I ~ехр(^^/М!), где (р. - Еысота барьера, д-заряд электрона, к-постоянная Больцмана. Тогда поправку можно выразить зависимостью Н (Т)~1/1а(5?) при превышении пороговой температуры Г , что функционально совпадает с зависимостью удельного сопротивления р(Т), а, значит, и П0(Т), при превышении температуры Т^ собственной проводимости полупроводника:

йв= йв(Т1)-ехрСг)/Т- т)/^) ~ р(Т) , (5)

где т]=^(2к) ^ *П*=ЧФ1э^1с' ширина запрещенной зоны полупроводника. Обычно для маломощных СВЧ ПП ТА< Т . Поэтому далее в главе анализировалось влияние нелинейной зависимости (5) в диапазоне температур Т>Г1 на режимы возникновения электротепловых неустойчивостей по'отношению к однородным и неоднородным возмущениям температуры кристалла в активной области структуры ПП - источника джоулева тепла. При такие же режимы исследовались при учете зависимостей подвижности носителей ц(Т) и теплопроводности ае(Т), приводящих к

степенным аппроксимациям зависимостей р, Г?в и теплового сопротивления ПП от температуры: р(Т)~ нв(т)=ггв<г0ыт/т0)с , В1.(Т)=Н1(Т0).(Т/Т0)С~ 1/*(Т) , (6)

где Т0-начальная температура активной области, равная температуре окружающей среды; константы С"! ,0+2,3, £®,1,2 и 1,1 для 51 и СаАэ. Условия неустойчивости стационарного режима определялись методом линеаризации системы уравнений теплопроводности и электрического тока для малых возмущений температуры ДТ. В случае однородных возмущений ДТ=сопз1;(х,у,г) систему можно свести к уравнению

С4-<Ш/<П - Р(Т) - (Т-То)/Н,.(Т) , (7)

где С^теплоемкость источника. Поглощаемая прибором модность ? при любом виде воздействия (ЭМИ, СВЧИ, ВИ) аппроксимировалась функцией , Р(Т)=Р(Т ) • СКв(Т)/йвсТ0) Зт, т=-1 + 1 (гЫ соответствует случаю воздействия от генератора тока и условиям эквивалентности (2) и (3), а т<*-1 -от генератора напряжения, возмокного лишь для воздействия ВИ). Показано, что после нагрева до температуры, равной

Г (тС+?)Тл/(тС+5-1) при 0<га,<т.<ж<1

V * (8) ■

и I ТА при

при которой поглощаемая мощность Р принимает значение 1Т„-?(Тн-Т0) ШтГД,. «н) 1 при О^зп^пк!

• V ^«-^о371^^53 ^ ~1<тЦ

(здесь для применяемых примесных концентраций в баАз м Б1: п^'О.Д; т*~-Ю~2; т^»IТа/(Тл-Т )-£]/£ > п^, когда температура разрушения

возникает неустойчивость относительно однородных возмущений ЛТ и режим выгорания определяется температурой Ть=1н и мощность» РЬ=РН. При отсутствии неустойчивости ТЬ=Г(1, РЬ=Р(Т^).

В нестационарном случае температура Тн и мощность Рд достигаются за конечное время Х=гз, причем этот момент времени перегиба функции Т(г) (<12Т/сИ2>0 при имеет смысл считать началом развития пробоя, если время гп дальнейшего нагрева от Тн до значительно меньше времени %3 (гп=т:-гд«гз). Если Т<1>Т1 и -1 <го<гг.*, то выражения (8),(9) справедливы и при нестационарном нагрева. При этом, по сделанным оценкам, tIt/tз'*0,2 и можно считать, что в момент достижения Тк развивается импульсный пробой. Однако в самом распространенном случае импульсных воздействий (от эквивалентного генератора тока, 8 ■

Рн=

когда Q<mi^nd<ni<1) выполняется tn>t3, т.е. перегиб функции T(t) п точке Ct3,T1J} слишсом плавный и нет смысла считать его началом пробоя (при этом Т меньше величины, задаваемой формулой (8): при интенсивном нестационарном нагреве, когда t .т-О, тлеем Тн-Т0 ).

Затем анализируются условия неустойчивости при неоднородных возмущениях температуры ДТ(х,у,к) в рассмотренных типичных пленарной и сотовой структурах Ш. Показано, что в стационарном случае, когда T»Tt, токая неустойчивость может развиваться лишь в диапазоне З^^ЗЧТд. Она ведет к шнурованию тока при любом га (внутреннем сопротивлении источника воздействия) и к выгоранию ЛП при меньших средних по всему объему температурах и поглощаемых мощностях Рь, чем в однородном устойчивом состоянии. В нестационарном случае нагрева, как показал анализ, для развития неоднородного пробоя необходимы достаточно большие исходные структурше неоднородности в ПП: пробой развивается при если исходная неоднородность поглощения мощно-

сти Др0/р0<*ЛТ0/Т0 ~1СГ2-ИСГ1. При меньшей неоднородности может развиться пробой иного вида, при котором резко нарастают и средняя температура, и локальное отклонение от нэ8 в области неоднородности.

В конце главы обсуждаются результаты теоретического анализа с точки зрения проблемы стойкости. Отмечается целесообразность сценки стойкости по мощности отказа после воздействия от генератора тока. Эксперименты должны дополнить и уточнить картину отказов, в том числе при протекании токов обратного пробоя.

В третьей главо приведены результаты экспериментального исследования обратимых изменений характеристик и выгорания маломощных СВЧ-диодов и транзисторов. Описаны экспериментальные установки и методики измерений. Основная часть главы посвящена изучению отказов GaAs и Si диодов с разнообразными конструкциями, технологиями изготовления и злектротепловымн параметрам. Измерения, уточняющие механизмы и параметры тепло- и токогореносв, показали: (1)- у некоторое диодов возмоана модуляция сопротивления базы вследствие шсэдк-ции неосновных носителей, компенсирупцих неравновесный заряд основных носителей, пришедших из подложки при больших токах, однако дальнейшие эксперимента не выявили специфики в картине их отказов; (2)--о помощью импульоного метода были измерены тепловые сопротивления; это позволило уточнить формулу для их теоретической оценки и показало, что основной теплоотвод осуществляется в подлокку; (3)- обратный пробой, однородный вплоть до начала выгорания, в слювном опре-

9

делился лавинным механизмом при проколе эпитакс^ального слоя.

Граница необратимого отказа, обычно катастрофического, имела пороговый характер у ПП всех типов. При допороговых значениях погло-■ щаемой мощности происходили одинаковые после воздействий СВЧИ и ВИ, незначительные обратив и необратимые изменения параметров ВАХ и НЧ-шумов диодов (на 1+2 дБ, что меньше их разброса у разных ПП одного типа). Оказалось, что обратимое увеличение высоты барьера Шотткн и уменьшение спектральной плотности S^(F) НЧ-шумов постоянного тока может наблюдаться в течение десятков часов после воздействий, при которых через барьер переносится достаточно большой электрический заряд q^Tl к (10-амплитуда выпрямленного тока, к-число импульсов), что связано, очевидно, с перезарядкой ловушек в области барьера.

Измерение мощностей выгорания - порога отказа при мкс и

сопоставление их с теоретическими оценками показало, что зависимости Рь(т) с точностью до разброса у разных ПП одного типа совпадают в случаях: (а)- воздействий ВИ прямой полярности и СВЧИ, когда токи обратного пробоя отсутствуют ( t>trp. где т - граничная длительность СВЧИ, соответствующая входной мощности выгорания, равной импульсному уровню ?о0р из формулы (4)); (б)- воздействий ВИ обратной полярности и СВЧИ, когда токи обратного пробоя протекают (хст^). Таким образом, ■ теоретические условия эквивалентности (2) и (3) дополняются объединяющими их условиями вквивалентности ВИ и СВЧИ случаев (а) и (б). Исходя из величин it, определенных по точке перегиба экспериментальных кривых Pb(t) ВИ- к СВЧИ-выгорания в случав (а) от зависимости Pfc ~1/т при T<tt к зависимости Piconst (г) при и теоретических оценок tt(Tb), была получена информация о механизме выгорания, приводящего к отказу,- однородный даоулев нагрев области базы до температуры Т^ плавления полупроводника (Т^Т^Т^). Поскольку этот результат получен для воздействий последовательностей ВИ (или СВЧИ), а температура Т -.наибольшая возможная температура разрушения Td, уровни выгорания при воздействиях одиночным импульсом и последовательностями импульсов с периодом, повторения будут одинаковы при т>тгр. При протекании же тока обратного пробоя (т<т ) сопоставление измерений Рь(т) с оценками всегда показывало наличие локализации поглощения тепла в области, меньшей базы. Время локальной релаксации тепла было меньше 0,1 мкс, поэтому перегиб у зависимости Рь(т) отсутствовал: Pb" const(т) при t>0,1 мкс . Так как, в отличие от случая (а), наблюдавшаяся неоднородность разруше-10

шя сопровождалась снижением уровня Рь (Ть^пл^' в слУчае 110 исключены влияние накопления дефектов на резким запуска механизма локализации при воздействии последовательных импульсов и зависимость Рь от числа импульсов.

Выгорание определяло стойкость ПП и в случае значительно более короткоимпульсных воздействий - одиночными ЭМИ с длительностью фронта 1ф=1+3 не. Эксперименты с переменными величинами Тф и длинами 1В выводов ПП показали, что поглощаемая. ПП энергия ЭМИ-выгорания !УеЬ= ^сопаШ^/Тф). Этот результат удалось получить лишь в элегазе и при изоляции концов выводов, когда был затруднен коронный разряд. В соответствии с теорией (см. формулу (1), в которой (СаУе)г~ 1^) это означает, что выгорание при столь коротких и интенсивных воздействиях происходит после адиабатического нагрейа, когда №еЬ»сопэ1;(Тф). Показана сложность использования З'Ш-установок для прямого и точного измерения энергии выгорания. Тем нэ менее, в работе получены их приближенные косвенные оценки с точностью до неизвестного множителя - входного сопротивления Н ^ прибора при выгорании. Исходя из представлений о возможном порядке величин ИеЪ, знания энергий однородного СВЧИ-выгорания при т=т4, делается вывод о значительной неоднородности ЭМИ-нагрева ,ПП при х^=1+3 не. Очевидно, размеры этой неоднородности не зависели от полярности ЭМИ, т.к. от полярности не зависел порог выгорания. Неясность механизма локализации приводит к-невозможности теоретической оценки уровня выгорания при столь малых длительностях. В этом случае ЭМИ-стойкость можно точно оценить лишь по измерениям энергии ВИ-выгорания при выполнении условий (2).

Измерения обратимых и необратимых изменений СВЧ-характеристик, статических ВАХ и НЧ-шумов йаАз малошумящих полевых транзисторов Шоттки (ПТШ) дали картину отказов, качественно похожую на картину для диодов. Наблюдались обратимые изменения параметров (на „10%) с временем полного восстановления порядка 1 суток, недостаточные для достижения отказа ПТШ, но существенные при их применении во входных прецизионных устройствах. Мощности СВЧИ-выгорания, определяющие отказ ПТШ, с точностью "1 дБ при т>0,1 мке аппроксимируются формулой

аналогичной опубликованным ранее теоретическим выражениям. Здесь Т<1 11-вРвМ0На тепловой диффузии на ширину й затвора и расстояние Н меаду электродами; в длинноимпульсном пределе (при % ,.Ю2с) Рь=РЪо=

11

^Ъ^о'^^ь'' где ДЛЯ^1ТШ: Н^С1п(16.12/й1)У таЗэе(Т), 1—толщина подложки, Т^шГ1510 К' °Ч9НКИ показали, что при т>0,1мкс СВЧИ-вы-горание происходит после однородного нагрева всей активной области ПТШ без участия токов обратного пробоя, хотя и сопровождается локальными повреждениями структур (микропроплавления в однородных областях мекэлекгродных зазоров и более значительные расплавления вокруг соединений СВЧ-вводов с затвором). По-видимому, оценки не могли выявить незначительное опережение нагрева ДТ«ТШ1 в существующих структурных неоднородноетях. Однако эти неоднородности слабы для развития неоднородного импульсного пробоя и выполнения ТЬ=Т^. Такая »е ситуация наблюдалась и при выгорании диодов.

Таким образом, эксперименты подтвердили необходимость учета нелинейных зависимостей параметров ПП от температуры для точного моде-рования выгорания, определяющего, как оказалось, стойкость маломощных СВЧ ПП, позволили уточнить некоторые расчетные соотношения и условия эквивалентности различных видов воздействий.

В четвертой глава предложены экспериментальные (ВМ- и СВЧИ-ме-тоды), экспериментально-расчетный и расчетный методы оценки стойкости к воздействиям ЭМИ и СВЧИ по наиболее универсальной характеристике стойкости - мощности выгорания ПП, которая соответствует порогу его отказа при заданных параметрах воздействия и схемы включения. В качестве такой характеристики можно использовать мощность выгорания ?ь, поглощаемую ПП, и мощность выгорания на входе ПП. При необходимости соответствующую им интенсивность излучения на входе приемника можно определить обычными радиотехническими методами. Обнаруженная в экспериментах скачкообразность деградационных изменений характеристик ПП после достижении этого порога приводит к тому, что результат измерения Рь практически не зависит от выбора конкретного критерия выгорания. Методы базируются на соотношениях, условиях эквивалентности и методиках, описанных в главах 2 и 3.

ВИ-метод основан на измерении поглощаемой мощности ВЦ-выгорания.' Эта величина характеризует стойкость ПП к воздействию ЭМИ (равна мощности ЭМИ-выгорания), если выполняются условия (2) при одинаковой полярности ВИ и ЭМИ (в области ~ 1 не полярность

не играет роли); эта величина характеризует стойкость ПП к воздействию СВЧИ (равна мощности СВЧИ-выгорания) при если ВИ -прямой полярности и т;>тГр (или ВИ - обратной полярности и тхт;^) и воздействие ВИ осуществляется от генератора тока. 12

•СВЧИ-метод основан на измерении поглощаемой мощности СВЧИ-выгорания Ръ в установке закрытого типа. При х=Тф>0,1 мкс эта величина характеризует стойкость ПП к воздействию ЭШ (равна мощности ЗМИ-выгорания)- ЭМИ прямой полярности при сопротивлении ИЧ-нагрузки

«1 См и ЭШ! обратной полярности при 1^*1 ком'. Эта же величина Рь характеризует стойкость ПП к воздействию СВЧИ в открытом пространстве при выполнении условий (3) (Рь=р£Ь при Ом и т.д.).

Экспершонталыю-расчетный и расчетный метода целесообразно применять при разработке маломощных радиоприемных СВЧ-устройств, стойких к воздействиям ЗШ и СВЧИ по входу. Поэтому предлагается перейти к оценке стойкости по мощности СВЧИ-внгорания Р^=Рь+1^йн на входе ПП (принципиально возможно-и использование поглощаемой ПП мощности выгорания Рь). Расчетный метод может также использоваться при разработке самих ПП для прогнозирования их предельной стойкости, когда мощность выгорания Рь максимальна и определяется однородным нагревом всей активной области структуры до ТЬ=ТШ1 (у обследованных в работе ПП такая однородность достигалась при отсутствии токов обратного пробоя и т>0,1 мкс). Сначала в обоих методах предлагается определить уровень выгорания Р£0 при длительном (непрерывном) воздействии, напряжение обратного пробоя иобр и сопротивление йв, последовательное входному барьеру ПП. В экспериментально-расчетном методе для этого используются СВЧ-установка (значительно более простая и дешевая, чем в экспериментальном СВЧИ-методе) и измеренная ВАХ. В расчетном - параметры Р£0, иойр, Нв оцениваются по известным параметрам структуры: геометрическим Ш, й, 12), электричесгаш (концентрация пркмэси, р) я тепловым (зе(Т)). Затем в обоих методах предлагается провести одинаковый расчет: 1- оценить для диода (или для транзистора) по уточненным в работе формулам, 2-

- рассчитать уровень Ройр по формуле (4). Далее следует сравнить величины Робр и Когда Р£0<Робр (выгоршше за счет нагрева прямым током), мощность выгорания диода оценивается по алгоритму

-

а мощность выгорания транзистора - по алгоритму

гЬо

РЪо'Vе

Ро<5р" РЬо"Ч/Хгр

при Т > при Тгр< -с < при т < 1.

(п:

гр

Кп С при л > Т- О

Ъо • ИРИ т - (12)

Робр=РЬ<ггр> ПР" * < ^гр

В выражениях (11) и (12) предполагалось, что. выполняется условие г,тн=1у;н. Если оно нарушается, то эти выражения следует дополнить строкой Р^=Робр(т), как в алгоритме для случая Р£0ЖР0(3р, когда влиянием обратного пробоя пренебречь нельзя:

ръ<т) "

*Ьо прих>.тк

*Ъо "Ри 11 «V Робр^> <'*Ьо • <13>

I- Гоф^) при г « тн. Робр(т) > Р'0

Здесь Робр(1) определяется формулой (4), где 6=9 (1^(1)) зависит от т при т £ тн- Методы были апробированы на диодах 2А107А, "Кондор", ЗА110Б, ПГШ ЗПЭ26А2 при т; £ 0,1 икс. Погрешность этих методов ^2дБ.

В конце главы приведены рекомендации по разработке стойких к воздействиям маломощных ПП и приемных устройств СВЧ. Все они направлены на повышение степени однородности нагрева активной области прибора и улучшение теплоотвода:

- применение планарно-эпитаксиальных структур и охранных краевых колец, повышение качества контактов, оптимизация топологии транзисторных структур в областях, прилегающих к точкам соединения СВЧ-вводов и затвора, для обеспечения^однородного распределения поля и тока по площади барьера;

- выбор ПП с максимально возможными напряжениями обратного пробоя, уменьшение сопротивления Ин НЧ-нагрузки в цепи входного перехода, увеличение емкости НЧ-фильтра Сн с целью увеличения Робр при т>тн и Ро0р(т) при г<чн (уменьшение влияния обратного пробоя на режим выгорания);

- внешний входной ОВЧ-итвдвнс ПП" должен превышать солротивле-объема полупроводника (базы) его перехода для исключения развития элактротепловой неустойчивости го отношении к однородным возмущениям температуры при и влияния ее на режим выгорания за счет нагрева прямыми токами через переход;

- предпочтительны более высокие температуры Т^ наступления собственной проводимости (большие примесные концентрации), с точки. 14

зрения затруднения режимов электротеплового шнурования;

- желательно уменьшать отношение й/Ь характерных размеров активной области структуры ПП, перпендикулярного ((1) и параллельного (Ь) протекающему через не8 току, для предотвращения развития шнура с повышенными плотностью тока и температурой при воздействиях импульсов длительностью

- улучшение теплоотвода от активной области структуры маломощного СВЧ-диода через металлический электрод для уменьшения теплового сопротивления и ослабления его роста при нагреве (выбор металла со слабой зависимостью зе(Т)); аналогичные меры возможны и для маломощных СВЧ-транзисторов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Проведен расчет поглощения маломощными СВЧ ПП анергий ЭМИ, СВЧИ и ВИ для разных схем их подачи. Получены условия эквивалентности различных воздействий, в том числе точные условия для двух пар: воздействий ЭМИ и ВИ, воздействий СВЧИ в открытом пространстве и в закрытом СВЧ-тракте.

■ 2. Проведен общий для различных видов импульсных воздействий на маломощные СВЧ ПП теоретический анализ условий возникновения электротепловых неустойчивостей и условий их влияния на мощность выгорания приборов. Он стал основой для полученных практических рекомендаций по разработке стойких к воздействиям ЭМИ, СВЧИ и ВИ маломощных СВЧ приборов я входных приемных устройств.

3. Экспериментально установлены режимы выгорания СВЧ-диодов

и транзисторов, опрэделящие уровни их отказа при воздействиях. ЗШ, СВЧИ и ВИ. Выявлены условия воздействий (длительности, параметры внешних схем включения ПП) и основные параметры приборов, влияющие на степень однородности дкоулева нагрева. Определена температура выгорания ПП при однородном нагревэ, соответствующая порогу их отказа; она равна температуре плавления полупроводника. Уточнены формулы для расчета тепловых сопротивлений диодов и транзисторов, условия эквивалентности воздействий по отношению к выгоранию в случав протекания тока обратного пробоя.

4. Экспериментальное исследование маломощных СВЧ ПП при воздействиях СВЧИ и ВИ показало, что обратимые изменения их характеристик зависят от величины суммарного электрического заряда, перенесенного за время воздействия и могут приводить к временным отказам

15

прецизионных малошумящих^приемных устройств наОсс основе в течении десятков часов. При е*том выход параметров ПП за пределы допустимых значений обычно нэ наблюдается.

5. Разработаны экспериментальные (с помощью ВИ-установки и закрытой СВЧИ-установки), экспериментально-расчетный и расчетный методы оценки стойкости ПП, исследованного в работе класса, к воздействиям ЭМИ и СВЧИ. Погрешность методов оценки стойкости по мощности выгорания близка к 2 дБ.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Дмитриев М.Д., Якимов А.В. Влияние технологии на низкочастотные шумы кремниевых ДБШ // Известия вузов. Радиофизика.-1993.-Т.36. 16 5.-С.456-459. •

2. Якимов А.В. Влияние СВЧ помехи на чувствительность диодных детекторов и смесителей // Вычислительная техника, автоматика, радиоэлектроника. Сборник научных трудов СПбГТУ.-1993.-С.76-82.

. 3. Мещеряков А.В., Якимов А.В. Изменение характеристик малошу-мящего GaAs полевого транзистора после интенсивного СВЧ-воздействия // Радиотехника и 8лектрошша.-1994.-Т.39. & 12.-С.2078-2083.

4. Емельянова И.В., Усыченко В.Г., Якимов А.В. Стойкость к СВЧ-выгоранию приборов с барьером Шоттки // Петербургский журнал электроники.-1995.- Я> 2(8).-С.40-45.

5. Dmltriev M.D., Malyshev V.M., Yaklmov A.V. Low-frequency noise formation mechanism in silicon Schottky barrier diodes // Proc. of the 6th Sci. Conf. "Fluctuation phenomena In physical systems".-Palanga, 1991 .-P.161-162.

6. Усыченко В.Г., Якимов A.i?. Обратимые и необратимые нарушения работоспособности полупроводниковых СВЧ-приборов при воздействии интенсивных электромагнитных помех // Тезисы Российской Научно--техн. Конф. "Инновационные наукоемкие технологии для России".-СПб: Изд-во СПбГТУ, IS95.-T.9.-C.I04.

Подписано к печати 2Ч.Ю-56. Тираж 100 экз.

Заказ 556. Бесплатно

Отпечатано в типографии СПбГТУ

195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29