Воздействие сверхкоротких импульсных перегрузок на полевые транзисторы и цифровые схемы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

РАЗУВАЕВ Юрий Юрьевич

ВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕГРУЗОК НА ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 июн 2011

Воронеж - 2011

4850766

Работа выполнена в Воронежском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Бобрешов Анатолий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Алгазинов Эдуард Константинович

кандидат физико-математических наук, доцент Кононов Александр Давидович

Ведущая организация: Нижегородский государственный университет

им. Н.И. Лобачевского

Защита состоится «30» июня 2011 года в 15— часов на заседании диссертационного совета Д.212.038.10 при Воронежском государственном университете по адресу:

394006, г. Воронеж, Университетская пл., 1, физический факультет, ауд. 435

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан «2 9» мая 2011 года.

Учёный секретарь диссертационного совета

Маршаков В.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Мощные импульсные помехи, создаваемые разрядами атмосферного электричества, всегда являлись препятствием для улучшения качества радиосвязи. Разряд молнии порождает широкополосный электромагнитный импульс, перекрывающий многие радиовещательные каналы и способный порождать помехи в эфире даже на противоположной стороне земного шара. Развитие современной радиотехники подошло к тому, чтобы использовать сверхкороткие импульсы (СКИ) для радиосвязи. Предполагается, что избыточная информация в спектре сверхширокополосного сигнала позволит приёмнику восстановить переданное сообщение, несмотря на потери в спектральных линиях поглощения или в результате интерференции помех.

Основной проблемой таких систем является обеспечение электромагнитной совместимости, которая обуславливается не только потерей информации в результате интерференции сигналов, но и специфическими явлениями деградации характеристик полупроводниковых структур. Деградация может быть обратимой (временной) или необратимой при экстремально больших пиковых мощностях сверхширокополосных сигналов, приводящих к электрическим перегрузкам. С этими эффектами столкнулись в радиолокации при использовании мощных зондирующих импульсов. В результате электрической перегрузки происходила временная деградация характеристик приёмника, и отражённый от цели сигнал не принимался. Было установлено, что наиболее критичным к перегрузкам элементом приёмника является малошумящий усилитель (МШУ), который в современных радиосистемах, как правило, выполняется на СаАя полевом транзисторе с затвором Шоттки (ПТШ).

Сверхширокополосные сигналы могут наводиться в виде электрических импульсов больших амплитуд на линиях передач, кабелях питания, сигнальных шлейфах, дорожках печатных плат и, в общем случае, воздействовать на все элементы радиоэлектронного оборудования. Широкий спектр СКИ обуславливает высокую проникающую способность импульсов даже через технологические отверстия экранирующих корпусов. В связи с этим представляет интерес воздействие СКИ не только на приёмный тракт, но и на блоки цифровой обработки сигналов и системы управления, в которых в настоящее время широко применяются МОП-транзисторы.

Таким образом, для решения проблемы дальнейшего развития сверхширокополосной радиотехники необходимо исследовать воздействие сверхкоротких импульсных электрических перегрузок на широко используемые в настоящее время полупроводниковые приборы. В частности, это ваАв ПТШ, на которых строятся малошумящие усилители СВЧ диапазона, и МОП-транзисторы, широко применяющиеся в аналоговых и цифровых схемах формирования и обработки сигналов.

Цель работы - выявление механизмов возможных сбоев аналоговых, цифровых и гибридных схем на полевых транзисторах под действием сверхкоротких электрических перегрузок, а также разработка методов оценки стойкости полупроводниковых приборов к воздействию сверхкоротких импульсов.

В задачи исследования входило:

1. Исследовать природу длительных переходных процессов в малошумя-щем усилителе, выполненном на ОаАэ ПТШ, при воздействии импульсных перегрузок.

2. Оценить теоретически и экспериментально стойкость аналоговых и цифровых схем на МОП-транзисторах к воздействию сверхкоротких импульсных перегрузок.

3. Разработать методы экспериментального определения стойкости полупроводниковых приборов к воздействию СКИ.

Методы исследования. В работе использовались методы компьютерного моделирования физических процессов и электронных схем. Методы аналитического и численного решения физических задач. Методы радиофизических измерений.

Научная новизна работы.

1. Выявлены отличия в динамике перезарядки областей объёмного заряда ОаАв ПТШ, обуславливающие длительные процессы восстановления тока стока транзистора после действия импульсной перегрузки.

2. Проведена оценка стойкости цифровых схем КМОП-логики: микросхем триггеров Шмитта и счётных Т-триггеров к воздействию СКИ.

3. Предложены модели воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющие рассчитывать переходные процессы.

4. Разработаны экспериментальные установки для исследования воздействия СКИ на полупроводниковые приборы.

5. Предложены методы экспериментальной оценки стойкости полупроводниковых приборов к воздействию сверхкоротких импульсных помех и перегрузок.

Практическая ценность работы.

1. Выявлены причины возникновения сбоев в реальных электронных схемах на полевых транзисторах (СаАв ПТШ и МОПТ) под действием сверхкоротких импульсных перегрузок.

2. Показано влияние концентрации примеси хрома в арсениде галлия на характер и длительность процесса восстановления тока стока полевого транзистора с затвором Шоттки после снятия перегрузки.

3. Предложены модели воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющие оценивать и рассчитывать переходные процессы.

4. Предложены схемы измерительных установок и методы экспериментального определения стойкости полупроводниковых приборов (аналоговых, цифровых и гибридных) к сверхкоротким импульсным помехам и перегрузкам.

Достоверность полученных в диссертации результатов определяется и подтверждается корректным применением математических методов, соответствием известным фундаментальным теоретическим представлениям и непротиворечивостью с исследованиями других авторов по данной тематике, коррект-

ной постановкой эксперимента и интерпретацией результатов измерений, согласованием результатов эксперимента с результатами компьютерного моделирования.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Модель ОаАэ ПТШ, позволяющая рассчитывать длительные переходные процессы, вызываемые импульсными электрическими перегрузками.

2. Результаты моделирования структуры объёмного заряда ОаАэ ПТШ, позволившие выявить две области, в которых приращения зарядов глубоких уровней имеют противоположные знаки. Отличия в динамике перезарядки этих областей обуславливают быструю и медленную стадии восстановления тока стока транзистора и наличие кумулятивного эффекта при воздействии серии импульсов перегрузки.

3. Модель воздействия сверхкоротких импульсных перегрузок на МОП-транзисторы, позволяющая оценить параметры и вид переходных процессов в схемах усилителей на МОП-транзисторах.

4. Результаты численного расчёта и экспериментального исследования воздействия СКИ на инвертирующие усилители на МОП-транзисторах, позволившие выявить механизм переходных процессов, определяющих восприимчивость усилителей к помехам в виде СКИ.

5. Результаты моделирования и экспериментального исследования воздействия СКИ на интегральные триггеры Шмитта КМОП-логики, показавшие, что под действием электрической перегрузки сужается зона неопределённости триггера Шмитта и, соответственно, ухудшается помехоустойчивость цифровых схем, в которых эти триггеры используются для регенерации и генерации цифровых сигналов.

6. Результаты экспериментальных исследований воздействия СКИ на счётные триггеры КМОП-логики, выявившие наличие аномальных переключений цифровых схем под действием сверхкоротких импульсных перегрузок, которые с большой вероятностью могут приводить к сбоям цифровых схем.

7. Схемы измерительных установок и методы экспериментального определения стойкости усилителей на МОП-транзисторах, триггеров Шмитта и счётных триггеров к воздействию СКИ.

Личный вклад автора определяется выбором объектов исследования; постановкой и проведением экспериментов; разработкой и изготовлением измерительных установок и модулей; написанием компьютерных программ, расширяющих возможности стандартного программного обеспечения и осуществляющих обработку экспериментальных данных; анализом и интерпретацией экспериментальных результатов; проведением теоретических исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

- XIII, XIV, XV, XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» г. Воронежа в 2007, 2008, 2009, 2010 годах соответственно.

-VII Международной научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения A.C. Попова «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 2007.

- VIII Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и экологии, г. Санкт-Петербург, 2009.

- научных сессиях Воронежского государственного университета с 2007 г. по 2011 г.

Внедрение научных результатов. Научные результаты, полученные в ходе настоящего диссертационного исследования, использованы в научно-исследовательской работе «Диффузия-К-ВГУ» (государственный контракт №64019/36-06) и при выполнении работ в рамках Федеральной целевой программы (государственный контракт № П1140).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 статей в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертаций, и 9 докладов в материалах научно-технических конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка используемой литературы из 80 наименований. Общий объём диссертации составляет 200 страниц, включая 58 страниц иллюстраций и 10 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и её практическая значимость, проведён обзор литературы по теме диссертации, указаны цель работы и задачи, определена научная новизна и обоснована достоверность полученных результатов, приведены результаты, выносимые на защиту.

В первой главе исследуется воздействие импульсных перегрузок на ОаАя ПТШ. В полупроводниковом симуляторе Арзуя Сгояк^и задаётся физическая модель транзистора, и рассчитываются переходные процессы при подаче и снятии напряжения перегрузки на затворе. Структура транзистора показана на рис. 1.

; сток] При перегрузке электрическое поле, создавае-

0.15 мос затвором, проникает в глубь полуизолирующей

~1.0-M.0-i-0.64-1.0-j-1.0-

jvmo'V3 подложки на GaAs. Происходит перераспределение полуиэолирующая "г.,? свободных носителей заряда, которое приводит к подложка_изменению заряда глубоких уровней EL2 и О. Ди-

у-мш намика перезарядки глубоких уровней определяется

Рис. 1. Структура ПТШ кинетическими уравнениями статистики тепловой рекомбинации и генерации носителей Шокли-Рида-

Холла следующего вида:

Первый этап исследования - моделирование структуры объёмного заряда (суммарного заряда и его компонент) в состоянии равновесия при заземлённых контактах транзистора для различных значений концентрации примеси хрома. Поскольку симулятор Арвув не представляет результаты расчёта объёмного заряда и ионизированных мелких доноров, эти величины рассчитывались отдельно по следующим формулам:

К = лгс(1 -ЛЕ0)), <2 = р-п+ы'0 + ^Еи-ы>Сг,

Детальный анализ структуры объёмного заряда выявил важную особенность: в отрицательный заряд подложки определяющий вклад вносит заряд ионизированных атомов хрома при типовом компенсационном соотношении Лсг -(Л'и + Л'ш) > 1, где 7УСг - концентрация глубоких акцепторов, ЛЬ и Л^и - концентрации мелких и глубоких доноров соответственно. Следовательно, в случае проникновения поля перегрузки в глубь подложки можно ожидать изменение концентрации ионизированных атомов хрома с последующей медленной релаксацией заряда после снятия перегрузки.

Даная гипотеза находит подтверждение на втором этапе исследования, когда моделируется воздействие импульса перегрузки по затвору при заземлённом истоке и типовом напряжении на стоке. Анализ перераспределения зарядов во времени и пространстве выявляет следующую особенность: под действием перегрузки в области под затвором, прилежащей к каналу, атомы хрома нейтрализуются, а в остальном объёме подложки ионизируются, как показано на рис. 2. Это связано с распределением поля под затвором в виде потенциального желоба и наличием р-п перехода канал-подложка, который под затвором оказывается смещенным в прямом направлении. Согласно результатам моделирования и теоретическим оценкам во время действия перегрузки нейтрализация атомов хрома в подзатворной области происходит быстрее, чем ионизация в остальном объёме подложки, а при снятии перегрузки, наоборот, релаксация заряда в области под затвором происходит медленно, а в остальном объёме подложки - быстро.

Изменение конфигурации объёмного заряда в подложке обуславливает модуляцию эффективной ширины канала и, следовательно, его проводимости. В литературе этот эффект получил название обратного управления со стороны подложки (Ьаск^айгщ). После снятия перегрузки в подзатворной области происходит релаксация избыточного положительного заряда, а в остальном объёме подложки - отрицательного. Два этих конкурирующих процесса определяются разными постоянными времени, поэтому восстановление тока стока транзистора после снятия перегрузки происходит в две стадии. Быстрая релаксация отрицательного заряда приводит к увеличению тока стока с нулевого значения, когда транзистор закрыт полем перегрузки, до значения, близкого к начальному. Однако наличие избыточного положительного заряда в подзатворной области подложки приводит к тому, что ток стока оказывается больше первоначального значения. По мере релаксации этого заряда ток стока медленно возвращается к первоначальному значению, но со стороны не меньших значений тока, а больших (кривые 3 и 4 рис. 3). При больших концентрациях хрома этот процесс растягивается во времени, а при малых превышение тока может быть незаметным (кривая 2 рис. 3). При дальнейшем уменьшении концентрации хрома воз-

можен процесс, изображённый на кривой 1 рис. 3, когда практически сразу после выключения перегрузки наблюдается выброс тока, превышающий начальный уровень. Это происходит за счёт избыточного положительного заряда центров EL2, перезарядкой которого при низких концентрациях хрома пренебре-

Рис. 2. Объёмный заряд и его компоненты до перегрузки (сплошные линии) и после снятия перегрузки (пунктирные) в сечении под истоком (а) и затвором (б)

'Ло

1.02 1

0.98 0.96 0.94 0.92 0.9

0 1 2 3 4 5 6 7 /, с 0 10 20 30 40 50 I, с

Рис. 3. Восстановление тока стока после снятия перегрузки для 1: А^сг = 0.25x10" см-3,2: Ыс, = 1.00х1017 см-3,3: Л'с,= 1.5x10" см"3,4: Л'Сг = 3.00*1017 см-3

Таким образом, были объяснены длительные переходные процессы восстановления тока стока ОаАз ПТШ, наблюдаемые в реальных МШУ под действием импульсных перегрузок, а также их зависимость от концентрации примеси хрома. Восстановление тока стока может длиться десятки секунд, при этом изменение рабочего режима и характеристик транзистора способно значительно ухудшить параметры МШУ и даже привести к его временной неработоспособности. Процесс деградации МШУ в случае воздействия последовательности импульсов перегрузки будет выражаться в прогрессирующем накоплении избыточного положительного заряда глубоких уровней, что потенциально может привести к значительному увеличению тока стока и перегреву транзистора.

Во второй главе исследуется воздействие импульсных перегрузок на МОП-транзисторы. При анализе физики МОП-структур показано, что импульсные перегрузки (импульсы напряжения, превышающего значение напряжения

пробоя диэлектрика) могут изменять вольтамперные характеристики транзисторов (в частности, напряжение отсечки) ввиду изменения заряда поверхностных состояний. При перегрузках происходит генерация дефектов в диэлектрике, соответственно, возрастает ток утечки. Когда концентрация дефектов достигает критического значения, в диэлектрике образуются каналы проводимости. Но даже при такой деградации МОП-транзисторов возможно удовлетворительное функционирование цифровых схем, которые не так чувствительны к изменениям параметров транзисторов, как аналоговые.

В проведённых экспериментах инвертирующие усилители на МОГ1-транзистрах различных типов (отечественные транзисторы КП313А, К11301Б, КГ1505Г и импортные В8584ЬТ1, В53138, ВР999) оказались восприимчивы к воздействию по входной цепи сверхкоротких импульсов как больших, так и малых амплитуд. Было показано, что помехи в виде СКИ порождают переходные процессы в усилителях, но не вызывают заметных изменений их параметров.

Использовался простой способ моделирования воздействия СКИ посредством численного расчёта электронной схемы усилителя, в которой транзистор заменён источником тока, управляемым напряжением затвора и стока. Остальные элементы схемы усилителя, включая ёмкости транзисторов, полагались линейными. Реальные ВАХ МОП-транзисторов аппроксимируются следующей формулой:

О при (Ли < ит

о(и,„ -и0„.)2

/с(С/зи,£/си) =

при итс. < и3ц < и0тс. + иа

2й([и,„ -и„,с ]ип, - при ит > ит

к,

50

+5В

1 юк

аг 112 нь

г-£=>~Н|—г--

ф^сф* 1

С11

239

-1с22-1ста

Тг°5Т 14

КП505Г

«и», и».

К. с)

На рис. 4 представлена эквивалентная схема экспериментального модуля. В результате моделирования было показано, что переходные процессы в схемах на МОП-транзисторах под действием СКИ в основном определяются внешними цепями, изменений характеристик транзисторов (как в случае ОаАв ПТШ) не происходит. Предложена следующая модель воздействия СКИ на МОП-транзисторы: сверхкороткий нмпульс заряжает эквивалентную входную ёмкость транзистора, формируемый при этом импульс напряжения на затворе преобразовывается транзистором в импульс тока, который перезаряжает выход!гую ёмкость. СКИ больших амплитуд могут преобразовываться в импульсы больших токов, которые за сверхкороткое время воздействия «успевают» перезарядить выходную ёмкость транзистора и запустить переходной процесс, обусловленный релаксацией заряда ёмкости после снятия перегрузки.

На рис. 5а представлены переходные процессы, которые наблюдались в усилителях со схемой «общий исток» на мощных транзисторах КП505Г, а на

Рис. 4. Эквивалентная схема экспериментального усилителя

рис. 56 - результат численного расчёта. Эти транзисторы имеют достаточно большие ёмкости С3ц = 239 пФ, Сзс = 112 пФ, ССц = 205 пФ, но и большую крутизну Б~2 А/В, поэтому СКИ, несмотря на значительные искажения во входной цепи, приводили к чётко выраженным переходным процессам. Выходное напряжение усилителя восстанавливается до первоначального значения по экспоненте с постоянной времени, определяемой сопротивлением нагрузки и эквивалентной выходной ёмкостью. Аналогичные результаты были получены и для маломощных МОП-транзисторов различных типов при достаточно хорошем согласовании эксперимента с расчётом.

V..

4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1

^ifje- JS5 rW

; 35 В ;;

/V /

i / / / 80 В

j I/ "ски (1250n X

I j

\ \ I

LL„ j 1

0 1 2 3 4 5 6 7 t, икс

а

Рис. 5. Переходные процессы, вызываемые СКИ различных амплитуд в усилителях на МОП-транзисторах с резиетнвной нагрузкой. Результаты эксперимента (а) и моделирования (б)

На основе полученных результатов можно предсказать реакцию па сверхкороткие импульсные перегрузки сложных аналоговых, цифровых и гибридных схем на полевых транзисторах.

В третьей главе исследуется воздействие импульсных перегрузок на интегральные триггеры Шмитта КМОП-лопжи. Эти схемы можно назвать гибридными, поскольку они занимают промежуточное положение между аналоговой и цифровой электроникой: имеют аналоговый вход и цифровой выход. На рис. 6 показан вид передаточной характеристики триггера Шмитта. В экспериментах использовались микросхемы триггеров SN74HC14N, выпускаемые фирмой Texas Instruments. Описывается экспериментальная установка и методика измерения пороговых напряжений триггера (у и приводятся и анализируются экспериментальные результаты и результаты моделирования.

Моделирование пробоев транзисторов в схеме триггера показало, что под действием перегрузки vT. V,- и„ происходит сужение зоны неопределённости тригге-Рпс. 6. Передаточная харак- ра Шмитта. Данный эффект наблюдался и экспери-тсристика триггера Шмипа ментально, причём при воздействии СКИ как больших, так и малых амплитуд. Сужение зоны неопределённости триггера Шмитта при малых амплитудах можно объяснить с учётом методики измерения и явления «звона» во входной цепи реакцией МОП-транзисторов входного каскада на

СКИ в рамках модели, предложенной во второй главе. При больших амплитудах не исключены эффекты обратимой деградации транзисторов, а также диодов электростатической защиты.

Измеренное изменение пороговых напряжений триггера Шмнтта под действием СКИ положительной и отрицательной полярностей проиллюстрировано на рис. 7. Амплитуды СКИ измерялись непосредственно на входе микросхем. При амплитуде воздействия более 8 В, что соответствует напряжению пробоя, наблюдается недопустимое сужение зоны неопределённости триггера, которое может обуславливать сбои цифровых схем.

.л.1,1.

ч V,. л 340 те "

Ч

\ 1

S

IN

V- \

У ч.

/

10 12 14 16 18 Uc>

Рис. 7. Изменение логических уровнен интегрального триггера Шмитта КМОП-логики под действием положительных (а) и отрицательных (6) СКИ

В четвёртой главе исследуется воздействие импульсных перегрузок на цифровые схемы КМОП-логикн на примере интегральных счётных Т-триггеров различных реализаций: на основе синхронного D-тригтера и 4-х разрядного двоичного счетчика. Эксперименты проводились с микросхемами соответственно SN74HC74N и SN74HC163N, выпускаемыми фирмой Texas Instruments. Описана экспериментальная установка, позволяющая регистрировать переключения триггера в процессе воздействия СКИ по тактовому входу.

Экспериментально было показано,.что под действием СКИ происходят переключения триггеров. Причём, для переключения триггера необходимо воздействие последовательности СКИ, как показано на диаграмме рис. 8 (риски на временной оси отмечают моменты времени, в которые подаются одиночные СКИ на тактовый вход триггера; цифрами обозначается количество вырезанных из диаграммы рисок). Это свидетельствует о наличии кумулятивного эффекта.

-Л П П. "Л --п. п.. п п п. п--дль

Рис. 8. Временная диаграмма выходного сигнала Т-триггсра при воздействии СКИ по тактовому входу

По мере воздействия и с увеличением частоты следования импульсов восприимчивость триггера к СКИ увеличивается, что можно объяснить перекрытием или, другими словами, наложением переходных процессов во входном каскаде триггера. В рамках подхода, описанного во второй главе настоящей

диссертации, можно оценить амплитуду и длительность импульсов, формируемых входным каскадом триггера на.ёмкостной нагрузке. Эти импульсы должны иметь достаточную амплитуду и длительность, чтобы переключить последующие каскады (логические элементы). По мере воздействия последовательности СКИ пиковое (и среднее) напряжение формируемых импульсов увеличивается. Когда оно достигает порога переключения, триггер переключается. Однако эти импульсы имеют непрямоугольную форму, и их длительность может быть недостаточна для надёжного переключения всех элементов схемы триггера. Поэтому в переключениях триггера присутствует элемент случайности. Также были выявлены интересные закономерности во временных диаграммах, которые свидетельствуют о зависимости восприимчивости цифровых схем к СКИ от логического состояния.

Для оценки стойкости цифровых схем к помехам в виде СКИ можно ввести понятие пороговой частоты следования СКИ. Смысл этой величины иллюстрирует рис. 9, на котором представлена зависимость относительного числа переключений Т-триггеров от частоты следования СКИ. Число относительных переключений 5 примерно соответствует вероятности переключения и сильно зависит от частоты следования СКИ в окрестности некоторой пороговой частоты, которую можно определить экспериментально по заданному пороговому значению величины 5. При малых частотах следования СКИ переключения маловероятны, соответственно мала вероятность сбоя цифровой схемы, в состав которой входит данный триггер. Прн больших частотах следования практически все СКИ приводят к переключению триггера, и вероятность сбоя близка к единице.

У 1 1

1

! ■п

I / д! /

10 100 ю3 ю4 Г, кГц

Рис. 9. Усреднённая по десяти реализациям зависимость относительног о числа переключений от частоты следования СКИ для трёх микросхем Т-триггеров одной серии

Из анализа полученных экспериментальных результатов можно заключить, что переключения триггеров под действием СКИ имеют аномальный характер. Прн стандартном подходе к анализу переключений синхронных цифровых схем, воздействие СКИ к переключениям приводить не должно, поскольку минимальная длительность тактовых импульсов чётко лимитируется в технической документации микросхем. Важно соотношение длительности и амплитуды

импульса: большие напряжения импульсов могут «скомпенсировать» недостаточную длительность. Однако в общем случае свести переключения триггеров под действием СКИ к переключениям в штатном режиме под действием стандартных импульсов не представляется возможным. Целесообразно рассматривать вероятность переключения цифровой схемы под действием сигналов в виде СКИ и по этому критерию оценивать допустимые условия эксплуатации цифровых систем в условиях действия интенсивных импульсных помех: определять амплитуду и период следования СКИ заданной формы и длительности, при которых вероятность переключения (соответственно, сбоя) цифровых элементов мала. Для решения указанной задачи можно использовать измерительную установку и методику, разработанные в рамках настоящего исследования.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выявлены механизмы длительных переходных процессов, происходящие в СаАв ПТШ реальных МШУ под действием электрической перегрузки по входу, которые грозят изменением рабочего режима и характеристик транзистора и могут привести к неработоспособности МШУ и временному выход)' его из строя.

2. Посредством моделирования показано, что процесс восстановления тока стока ПТШ после снятия перегрузки сильно зависит от концентрации примеси хрома и проходит в две стадии: быструю и медленную, которые обусловлены специфическим пространственным перераспределением заряда глубоких уровней.

3. Быструю стадию восстановления тока стока можно рассматривать как интенсивную помеху, а медленная стадия, когда значение тока превышает начальный уровень, способна на долгое время ухудшить шумовые и усилительные характеристики МШУ и потенциально привести к его перегреву и выходу из строя. Эффект увеличения тока стока будет прогрессировать при воздействии серии импульсов перегрузки.

4. По результатам экспериментов и моделирования было показано, что переходные процессы в усилителе на МОП-транзисторе с резистнвной нагрузкой с достаточной точностью определяются параметрами входной цепи, статическими характеристиками транзистора и параметрами выходной цепи. Необратимых или длительных изменений параметров полупроводниковых структур как в случае ОаАв ПТШ зарегистрировано не было.

5. Переключения МОП-транзисторов во входных каскадах аналоговых, цифровых и гибридных схем под действием СКИ обуславливают сбои радиоэлектронного оборудования.

6. Предложена модель воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющая рассчитывать переходные процессы как в аналоговых, так и цифровых схемах.

7. Показано, что помехи в виде СКИ временно изменяют пороговые напряжения интегрального триггера Шмитта КМОП-логикн. сужая его зону не-

определённости, что может обуславливать появление сбоев в цифровых схемах, в которых триггеры Шмитта используются для регенерация и генерации цифровых сигналов.

8. Возможны 3 механизма данного эффекта:

1) переходные процессы в МОП-транзисторах схемы триггера, подобные тем, что были рассмотрены во второй главе;

2) изменение характеристик МОП-транзисторов под действием электрической перегрузки;

3) влияние диодной защиты на входе микросхем триггеров, которая, однако, оказывается неспособной сильно ограничить амплитуду СКИ.

9. Экспериментально показано, что помехи в виде СКИ по цепям тактирования могут переключать синхронные триггеры (счётные Т-триггеры), следовательно, вызывать логические сбои в синхронных цифровых схемах.

10. Воздействие СКИ на цифровую схему может быть сведено к анализу импульсов, формируемых входным каскадом схемы. Эти импульсы должны иметь достаточную амплитуду и длительность для переключения логических элементов схемы.

11. Воздействие СКИ на цифровые схемы обладает кумулятивным эффектом: по мере воздействия и с увеличением частоты следования импульсов вероятность сбоя повышается. Этот эффект можно объяснить увеличением пикового напряжения импульсов, формируемых входным каскадом на ёмкостной нагрузке.

12. Предложены схемы измерительных установок и методы экспериментального определения критических параметров воздействия (амплитуды, длительности и частоты следования СКИ), при которых велика вероятность появления логических сбоев в цифровых схемах КМОП-логики, содержащих триггеры Шмитта и счётные триггеры.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бобрешов А. М. Экспериментальные исследования возникновения логических сбоев в базовых элементах цифровой электроники при воздействии субнаносекундных видеоимпульсов / А. М. Бобрешов, А. В. Дыбой, Ю. Ю. Ра-зуваев //Известия вузов. Электроника,-2007-№ 6-С. 11-17.

2. Бобрешов А. М. Экспериментальное исследование воздействия сверхкоротких импульсных сигналов на переключение логических триггерных элементов / А. М. Бобрешов, Ю. Ю. Разуваев [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XIII Междунар. науч.-техн. конф., г..Воронеж, 17-19 апр. 2007 г.-Воронеж,- 2007,- Т.2.- С. 1594-1598.

3. Бобрешов А. М. Механизмы обратимых отказов СаАв ПТШ при мощных импульсных воздействиях / А. М. Бобрешов, Ю. Ю. Разуваев [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы - 2008 - Т.П.- № 3- С. 6068.

4. Бобрешов А. М. Структура объемного заряда в ОаАэ ПТШ на границе между активным слоем и подложкой, легированной хромом / А. М. Бобрешов,

10. Ю. Разуваев [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета. Сер.: Физика. Математика -Воронеж-2008-№ 1-С. 5-10.

5. Бобрешов А, М. Экспериментальное исследование логических сбоев в синхронных триггерах под воздействием сверхкоротких импульсных перегрузок / А. М. Бобрешов, Ю. 10. Разуваев [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XIV Междунар. науч.-техн. конф., г. Воронеж, 15-17 апр. 2008 г.- Воронеж,-2008.-Т.2.-С. 1483-1488.

6. Бобрешов А. М. Природа объемного заряда на границе между n-GaAs и полуизолирующей подложкой в GaAs ПТШ / А. М. Бобрешов, Ю. Ю. Разуваев [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XIV Междунар. науч.-техн. конф., г. Воронеж, 15-17 апр. 2008 г.- Воронеж,- 2008,- Т.2.- С. 1328-1335.

7. Бобрешов А. М. Влияние концентрации хрома в полуизолирующей подложке ПТШ на время восстановления при воздействии импульсной помехи / А. М. Бобрешов, Ю. Ю. Разуваев [и др.] // Физика и технические приложения волновых процессов: VII Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 150-летию со дня рождения А. С. Попова, 15-21 сент. 2008 г. : тез. конф.- Самара -2008-С. 234-236.

8. Бобрешов А. М. Экспериментальное исследование стойкости интегральных триггеров Шмитта КМОП-логики к сверхкоротким импульсным перегрузкам / А. М. Бобрешов, Ю. Ю. Разуваев [и др.] // Измерительная техника-2009,-№12,-С. 46-50.

9. Бобрешов А. М. Деградация интегральных триггеров Шмитта КМОП-логики под воздействием сверхкоротких импульсных перегрузок / А. М. Бобрешов, Ю. 10. Разуваев [и др.] // Известия вузов. Электроника - 2009 - № 6-С. 28-36.

10. Бобрешов А. М. Экспериментальное исследование воздействия сверхкоротких импульсных перегрузок на функционирование интегральных триггеров Шмита КМОП-логики / А. М. Бобрешов, Ю. Ю. Разуваев [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XV Междунар. науч.-техн. конф., г. Воронеж, 14-16 апр. 2009 г.- Воронеж,- 2009,- Т.2.- С. 936-942.

И. Бобрешов А. М. Зависимость переходных процессов в GaAs ПТШ, связанных с перегрузками, от уровня легирования подложки хромом / А. М. Бобрешов, 10. Ю. Разуваев [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XV Междунар. науч.-техн. конф., г. Воронеж, 14-16 апр. 2009 г.- Воронеж - 2009 - Т.2.-С. 920-927.

12. Бобрешов А. М. Экспериментальное исследование воздействия сверхкоротких импульсных перегрузок на изменение пороговых уровней триггера Шмитта / А. М. Бобрешов, А. В. Дыбой, Ю. Ю. Разуваев // VIII Междунар. симпозиум по электромагнитной совместимости и экологии, г. СПб, 16-19 июня 2009 г.- СПб.- 2009.- С. 312-315.

13. Бобрешов А. М. Переходные процессы в GaAs ПТШ под действием электрической перегрузки во входной цепи / А. М. Бобрешов, Ю. Ю. Разуваев [и др.] // Радиолокация, навигация, связь: XVI Междунар. науч.-техн. конф., г. Воронеж, 13-15 апр. 2010г.-Воронеж.-2010-Т. 1.-С. 477^192.

14. Бобрешов А. М. Экспериментальное исследование воздействия сверхкоротких видеоимпульсов на n-канальные МОП-транзисторы / А. М. Бобрешов,

Ю. Ю. Разуваев, Г. К. Усков // Радиолокация, навигация, связь: XVI Между-нар. науч.-техн. конф., г. Воронеж, 13-15 апр. 2010 г.- Воронеж- 2010- Т.1.-С. 504-511.

Работы [1, 3, 4, 8, 9] опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертаций.

Подписано в печать 24.05.11. Формат 60*84 '/,6. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 730.

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

Список используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Воздействие импульсных перегрузок на СаАэ ПТШ.

1.1. Основы математического аппарата полупроводникового симулятора.

1.2. Физическая модель ПТШ.

1.3. Теоретический анализ заряда ловушечных центров.

1.4. Моделирование состояния равновесия.

1.5. Моделирование импульсной перегрузки и процесса восстановления.

1.6. Теоретическая оценка длительности переходных процессов.

Выводы.

Глава2. Воздействие импульсных перегрузок на МОП-транзисторы.

2.1. Введение в физику структур металл-диэлектрик-полупроводник.

2.2. Вольтамперные характеристики МОП-транзисторов.

2.3. Зарядовые состояния 8Юг и интерфейса 8ь8Юг.

2.4. Воздействие СКИ на МОП-транзисторы.

2.4.1. Влияние входной цепи на спектр и форму СКИ.

2.4.2. Схема эксперимента.

2.4.3. Моделирование экспериментальных схем.

2.4.4. Воздействие СКИ на МОП-транзисторы со встроенным каналом п-типа на примере транзисторов КПЗ 13 А.

2.4.5. Воздействие СКИ на МОП-транзисторы с индуцируемым каналом п-типа на примере транзисторов КП505Г.

2.4.6. Воздействие СКИ на МОП-транзисторы с индуцированным каналом р-типа на примере транзисторов КП301Б.

2.5. Обсуждение результатов.

Выводы.

Глава 3. Воздействие импульсных перегрузок на триггеры Шмитта КМОП-логики.

3.1. Анализ схемы интегрального триггера Шмитта КМОП-логики.

3.2. Моделирование локальных пробоев транзисторов схемы триггера.

3.3. Воздействие СКИ на триггеры Шмитта КМОП-логики.

3.3.1. Экспериментальная установка.

3.3.2. Результаты экспериментов.

3.3.3. Интерпретация экспериментальных результатов.

Выводы.

Глава 4. Воздействие сверхкоротких импульсных перегрузок на синхронные цифровые схемы КМОП-логики.

4.1. Схемные реализации Т-триггеров.

4.2. Схема и методика экспериментов.

4.3. Испытание микросхем триггеров SN74HC74N на стойкость к СКИ.

4.4. Испытание микросхем счётчиков SN74HC163N на стойкость к СКИ.

4.4.1. Анализ временных диаграмм при воздействии серии СКИ.

4.4.2. Анализ интегрального эффекта воздействия серий СКИ.

4.5. Обсуждение результатов.

Выводы.

Работа посвящена исследованию воздействия сверхкоротких импульсных перегрузок на электронные схемы, выполненные на полевых транзисторах: СаАэ транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ) и МОП-транзисторы (структуры металл-оксид-полупроводник). Методами численного моделирования с помощью симулятора полупроводниковых структур было исследовано воздействие импульсных перегрузок на ваАэ полевые транзисторы с затвором Шоттки. Выявлены физические механизмы, обуславливающие длительные переходные процессы в ПТШ под действием электрической перегрузки по затвору. Длительность этих процессов определяется статистикой перезарядки глубоких уровней в ваАз и может составлять десятки минут. Экспериментально и с помощью схемотехнического моделирования было исследовано воздействие сверхкоротких импульсов на МОП-транзисторы. Исследовались переходные процессы в усилителях (схема общий исток) на МОП-транзисторах различных типов. Показано, что сверхкороткие импульсы вызывают переходные процессы. Однако эти процессы не связаны со специфическими изменениями в полупроводниковой структуре транзисторов как в случае ваАэ ПТШ, а обусловлены усилительными свойствами транзисторов и параметрами внешних цепей. Несмотря на большие амплитуды, СКИ не приводили к необратимым изменениям параметров транзисторов. Это объясняется кратковременностью действия электрической перегрузки и специфической проявления дефектов в подзатворном диэлектрике, наличие которых трудно обнаружить, пока их концентрация не достигнет критического уровня. Тем не менее, помехи в виде СКИ способны нарушать работу аналоговых схем на полевых транзисторах, а также вызывать сбои в цифровых схемах КМОП-логики. Экспериментально наблюдались переключения триггеров и счётчиков под действием СКИ по тактовому входу. В результате исследования устойчивости триггеров Шмитта к импульсным перегрузкам, было показано, что воздействие СКИ можно свести к изменению передаточной характеристики триггера, выражающимся в сужении зоны неопределённости. Это важный параметр, определяющий регенеративные свойства триггера. Триггеры Шмитта в значительной степени обуславливают помехоустойчивость цифровых схем, поэтому их восприимчивость к СКИ может играть ключевую роль при анализе электромагнитной совместимости цифровых систем и радиосистем, излучающих сверхкороткие импульсные сигналы.

Актуальность работы

Научно-технический прогресс условно можно представить как совокупность некоторых этапов или периодов. Появление новых идей, открытий, изобретений даёт начало очередному этапу развития технологий. Однако наряду с новыми возможностями возникают и новые проблемы, связанные как непосредственно с использованием этих возможностей, так и с дальнейшим их развитием. К концу каждого периода технологии достигают предела, который определяется совокупностью неразрешённых проблем. Эти проблемы являются сдерживающим фактором, ограничивающим экстенсивное развитие. Они побуждают искать новые решения, создавая предпосылки для перехода к интенсивному развитию и следующей ступени прогресса как в конкретной области знания, так и в науке в целом.

В последние десятилетия бурно развивались электронные технологии, особенно направления цифровой электроники и радиотехники. К настоящему времени уже успели сформироваться некоторые проблемы, препятствующие дальнейшему развитию этих технологий. Это вопросы создания качественно новой элементной базы (например, квантовых микропроцессоров), перехода к нанотехнологиям, совершенствования методов беспроводной передачи данных и т.д. Мы уделим внимание проблеме, в той или иной степени касающейся всех перечисленных направлений, - это вопрос стойкости полупроводниковых приборов к импульсным перегрузкам.

Ещё на заре развития электронной техники учёные могли сталкиваться с проблемой мощных импульсных помех, источником которых выступали разряды атмосферного электричества — молнии. Но электронные технологии в то время были мало распространены по сравнению с сегодняшним уровнем, и проблема электромагнитной совместимости ещё не была актуальной. Ввиду низкой плотности передаваемой по радиоканалам информации и высокой стойкости ламповой электроники к электроперегрузкам проблема атмосферных помех воспринималась как некоторое неудобство, действие сил природы, с которыми следует смириться. Сегодня плотность информации, передаваемой в радиодиапазоне, крайне велика. Однако, несмотря на различные технологические ухищрения, до сих пор не удалось полностью исключить воздействие разрядов атмосферного электричества на современные радиосистемы. Разряд молнии порождает широкополосный электромагнитный импульс, перекрывающий многие радиовещательные каналы и способный порождать помехи в эфире даже на противоположной стороне земного шара. В этом плане является перспективной технология сверхширокополосной связи, позволяющая передавать информацию, подобно молнии распределяя энергию сигнала по широкому спектру частот. Избыточная информация в спектре такого сигнала позволит приёмнику восстановить сообщение, несмотря на потери в спектральных линиях поглощения или в результате интерференции помех.

Во временной области сверхширокополосный сигнал представляется сверхкоротким импульсом (СКИ). Это импульс субнаносекундной длительности. Мы будем рассматривать сверхкороткие видеоимпульсы, т.е. импульсы без СВЧ заполнения. Применение сигналов в виде СКИ перспективно в радиолокации [23, 25] (известно, что чем короче зондирующий импульс, тем точнее измерение координат и скорости цели). Однако в связи с этим обостряется проблема электромагнитной совместимости, поскольку наряду с атмосферными помехами на радиоэлектронную аппаратуру действуют сверхширокополосные электромагнитные импульсы систем радиолокации и связи. Но проблема не исчерпывается искажением передаваемой информации: мощные электромагнитные импульсы могут приводить к явлениям необратимой и обратимой деградации характеристик полупроводниковых структур [4,5,21]. С этими эффектами столкнулись в радиолокации при использовании мощных зондирующих импульсов. В результате электрической перегрузки происходила временная деградация характеристик приёмника, и отражённый от цели сигнал не принимался. Было установлено, что наиболее критичным к перегрузкам элементом приёмника является малошумящий усилитель (МШУ), который в современных радиосистемах, как правило, выполняется на ОаАэ полевом транзисторе с затвором Шоттки (ПТШ) [5, 2, 3, 27].

В общем случае помехи в виде СКИ могут воздействовать на все элементы радиоэлектронного оборудования [21]. Электромагнитное излучение источников сверхширокополосных сигналов и помех наводит электрические импульсы на линиях передач, кабелях питания, сигнальных шлейфах, дорожках печатных плат. Широкий спектр СКИ обуславливает высокую проникающую способность импульсов даже через технологические отверстия экранирующих корпусов оборудования [5]. В связи с этим представляет интерес воздействие СКИ не только на приёмный тракт, но и на блок цифровой обработки сигналов [63, 12], в котором, как правило, широко используются МОП-транзисторы [10, 6]. Область применения МОП-транзисторов обширна, поэтому при внедрении сверхширокополосных технологий важно обеспечить устойчивость схем на МОП-транзисторах к воздействию сверхкоротких импульсных помех.

Цель работы

Целью настоящей работы было выявление механизмов возможных сбоев аналоговых, цифровых и гибридных схем на полевых транзисторах под действием сверхкоротких электрических перегрузок, а также разработка экспериментальных методов оценки стойкости полупроводниковых приборов к воздействию сверхкоротких импульсов.

В связи с поставленной целью в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать природу длительных переходных процессов в малошумя-щем усилителе, выполненном на ОаАв ПТШ, при воздействии импульсных перегрузок.

2. Оценить теоретически и экспериментально стойкость аналоговых и цифровых схем на МОП-транзисторах к воздействию сверхкоротких импульсных перегрузок.

3. Разработать методы экспериментального определения критериев стойкости полупроводниковых приборов к воздействию СКИ.

Методы исследования

В работе использовались методы компьютерного моделирования физических процессов и электронных схем. Методы аналитического и численного решения физических задач. Методы радиофизических измерений.

Научная новизна работы

В настоящей работе получены следующие результаты, обладающие новизной:

1. Выявлены отличия в динамике перезарядки областей объёмного заряда ваАз ПТШ, обуславливающие длительные процессы восстановления тока стока транзистора после действия импульсной перегрузки.

2 Исследован механизм воздействия импульсных перегрузок на МОП-транзисторы в схемах инвертирующих усилителей.

3. Проведена оценка стойкости цифровых схем КМОП-логики: микросхем триггеров Шмитта и счётных Т-триггеров к воздействию СКИ.

4. Предложены модели воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющие рассчитывать переходные процессы.

5. Разработаны экспериментальные установки для исследования воздействия СКИ на полупроводниковые приборы.

6. Предложены методы экспериментальной оценки стойкости полупроводниковых приборов к воздействию сверхкоротких импульсных помех и перегрузок.

Достоверность результатов диссертации

Достоверность результатов диссертационной работы определяется и подтверждается корректным применением математических методов, соответствием известным фундаментальным теоретическим представлениям и непротиворечивостью с исследованиями других авторов по данной тематике, корректной постановкой эксперимента и интерпретацией результатов измерений, согласованием результатов эксперимента с результатами компьютерного моделирования

Личный вклад

Личный вклад определяется выбором объектов исследования; постановкой и проведением экспериментов; разработкой и изготовлением измерительных установок и модулей; написанием компьютерных программ, расширяющих возможности стандартного программного обеспечения и осуществляющих обработку экспериментальных данных; анализом и интерпретацией экспериментальных результатов; проведением теоретических исследований.

Практическая ценность работы

1. Выявлены причины возникновения сбоев в реальных электронных схемах на полевых транзисторах (ОаАэ ПТШ и МОПТ) под действием сверхкоротких импульсных перегрузок.

2. Показано влияние концентрации примеси хрома в арсениде галлия на характер и длительность процесса восстановления тока стока полевого транзистора с затвором Шоттки после снятия перегрузки. От этого зависит стойкость транзистора к воздействию импульсных перегрузок.

3. Предложены модели воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющие оценивать и рассчитывать переходные процессы.

4. Предложены схемы измерительных установок и методы экспериментального определения стойкости полупроводниковых приборов (аналоговых, цифровых и гибридных) к сверхкоротким импульсным помехам и перегрузкам.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены и докладывались на:

XIII, XIV, XV, XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» г. Воронеж в 2007, 2008, 2009, 2010 годах соответственно.

VII Международная научно-техническая конференция, посвященная 150-летию со дня рождения A.C. Попова «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 2007.

VIII Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и экологии, г. Санкт-Петербург, 2009.

Научных сессиях Воронежского государственного университета с 2007 г. по 2011 г.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Модель GaAs ПТШ, позволяющая рассчитывать длительные переходные процессы, вызываемые импульсными электрическими перегрузками.

2. Результаты моделирования структуры объёмного заряда GaAs ПТШ, позволившие выявить две области, в которых приращения зарядов глубоких уровней имеют противоположные знаки. Отличия в динамике перезарядки этих областей обуславливают быструю и медленную стадии восстановления тока стока транзистора и наличие кумулятивного эффекта при воздействии серии импульсов перегрузки.

3. Модель воздействия сверхкоротких импульсных перегрузок на МОП-транзисторы, позволяющая оценить параметры и вид переходных процессов в схемах усилителей на МОП-транзисторах.

4. Результаты численного расчёта и экспериментального исследования воздействия СКИ на инвертирующие усилители на МОП-транзисторах, позволившие выявить механизм переходных процессов, определяющих восприимчивость усилителей к помехам в виде СКИ.

5. Результаты моделирования и экспериментального исследования воздействия СКИ на интегральные триггеры Шмитта КМОП-логики, показавшие, что под действием электрической перегрузки сужается зона неопределённости триггера Шмитта и, соответственно, ухудшается помехоустойчивость цифровых схем, в которых эти триггеры используются для регенерации и генерации цифровых сигналов.

6. Результаты экспериментальных исследований воздействия СКИ на счётные триггеры КМОП-логики, выявившие наличие аномальных переключений цифровых схем под действием сверхкоротких импульсных перегрузок, которые с большой вероятностью могут приводить к сбоям цифровых схем.

5. Схемы измерительных установок и методы экспериментального определения стойкости усилителей на МОП-транзисторах, триггеров Шмитта и счётных триггеров к воздействию СКИ.

Публикации

По теме диссертационной работы было опубликовано 14 научных работ [38-51], из них 5 [38, 40, 41, 45, 46] в профильных периодических научных изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для публикации основных результатов докторских диссертаций.

Внедрение научных результатов

Научные результаты, полученные в ходе настоящего диссертационного исследования, использованы в научно-исследовательской работе «Диффузия-К-ВГУ» (государственный контракт № 64019/36-06).

Состояние исследуемой проблемы

Опубликовано достаточно много работ по воздействию на полупроводниковые приборы СВЧ-излучения [2-5, 33, 63] и электрических перегрузок [21, 67-69, 71, 66, 74, 13]. Однако, как правило, рассматривается необратимая деградация характеристик приборов под воздействием длительных перегрузок, в то время как сверхкороткие импульсы ввиду своей малой длительности могут приводить к специфическим явлениям обратимой деградации, представляющим как теоретический, так и практический интерес ввиду возможности появления сбоев полупроводниковых приборов при относительно малых энергиях воздействия. Сверхкороткие электромагнитные импульсы с большими пиковыми значениями мощности могут быть использованы в качестве средства радиоэлектронного подавления [1, И, 60]. Очевидно, в этой связи и в связи с тем, что в радиотехнике сверхкороткие импульсы стали применяться недавно, литература по данной тематике трудно доступна. Можно отметить работы [1, 12, 54, 7, 57, 52, 24]. Несомненна важность исследования сверхкоротких импульсных перегрузок и импульсных помех для развития науки и техники, поскольку сверхширокополосные сигналы открывают новые перспективы и технические возможности [18, 23]. Настоящая диссертационная работа призвана восполнить недостаток экспериментальных данных и теоретических работ по данной тематике.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 80 наименований. Общий объём диссертации составляет 200 страниц, включая 58 страниц иллюстраций и 10 страниц приложений.

Выводы

1. Экспериментально показано, что помехи в виде СКИ по цепям тактирования могут переключать синхронные триггеры, следовательно, вызывать логические сбои в синхронных цифровых схемах.

2. Воздействие СКИ на цифровую схему может быть сведено к анализу импульсов, формируемых входным буфером схемы. Эти импульсы должны иметь достаточную амплитуду и длительность для переключения логических элементов схемы.

3. Воздействие СКИ на цифровые схемы обладает кумулятивным эффектом: по мере воздействия и с увеличением частоты следования импульсов вероятность сбоя повышается. Этот эффект можно объяснить увеличением пикового напряжения импульсов, формируемых входным каскадом на ёмкостной нагрузке.

4. Предложена схема измерительной установки и методика определения критических параметров воздействия (амплитуды, длительности и частоты следования СКИ), при которых велика вероятность сбоя.

Заключение

1. Выявлены механизмы длительных переходных процессов, происходящие в СаАв ПТШ реальных МШУ под действием электрической перегрузки по входу, которые грозят изменением рабочего режима и характеристик транзистора и могут привести к неработоспособности МШУ и временному выходу его из строя.

2. Посредством моделирования показано, что процесс восстановления тока стока ПТШ после снятия перегрузки сильно зависит от концентрации примеси хрома и проходит в две стадии: быструю и медленную, которые обусловлены специфическим пространственным перераспределением заряда глубоких уровней.

3. Медленная и быстрая стадии восстановления тока стока ПТШ связаны с релаксацией зарядов глубоких уровней хрома подложки, наведённых полем перегрузки. Подзатворная область подложки вблизи канала заряжается положительно, а остальной объём подложки — отрицательно.

4. Перезарядка указанных областей подложки описывается в рамках статистики тепловой генерации и рекомбинации носителей Шокли-Рида-Холла и характеризуется различными постоянными времени. Избыточный положительный заряд подзатворной области быстро накапливается под действием перегрузки и медленно релаксирует после её снятия. Для отрицательного заряда остального объёма подложки ситуация диаметрально противоположная: медленное накопление и быстрая релаксация.

5. Быструю стадию восстановления тока стока можно рассматривать как интенсивную помеху, а медленная стадия, когда значение тока превышает начальный уровень, способна на долгое время ухудшить шумовые и усилительные характеристики МШУ и потенциально привести к его перегреву и выходу из строя. Эффект увеличения тока стока будет прогрессировать при воздействии серии импульсов перегрузки.

6. В результате анализа физики МОП-структур показано, что импульсные перегрузки могут изменять вольтамперные характеристики транзисторов, в частности напряжение отсечки, что важно для цифровых схем, а также увеличивать ток утечки через подзатворный диэлектрик.

7. Предложена модель воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющая рассчитывать переходные процессы как в аналоговых, так и цифровых схемах.

8. Переходные процессы во входных каскадах на МОП-транзисторах аналоговых, цифровых и гибридных схем, происходящие под действием СКИ обуславливают сбои радиоэлектронного оборудования.

9. Помехи в виде СКИ изменяют пороговые напряжения интегрального триггера Шмитта КМОП-логики, сужая его зону неопределённости, что может обуславливать появление сбоев в цифровых схемах, в которых триггеры Шмитта используются для регенерации и генерации цифровых сигналов.

10. Возможны 3 механизма данного эффекта:

1) переходные процессы в МОП-транзисторах схемы триггера, подобные тем, что были рассмотрены во второй главе;

2) изменение характеристик МОП-транзисторов под действием электрической перегрузки;

3) влияние диодной защиты на входе микросхем триггеров, которая, однако, оказывается неспособной сильно ограничить амплитуду СКИ.

11. Экспериментально показано, что помехи в виде СКИ по цепям тактирования могут переключать синхронные триггеры, следовательно, вызывать логические сбои в синхронных цифровых схемах.

12. Воздействие СКИ на цифровую схему может быть сведено к анализу импульсов, формируемых входным буфером схемы. Эти импульсы должны иметь достаточную амплитуду и длительность для переключения логических элементов схемы.

13. Воздействие СКИ на цифровые схемы обладает кумулятивным эффектом: по мере воздействия и с увеличением частоты следования импульсов вероятность сбоя повышается. Этот эффект можно объяснить увеличением пикового напряжения импульсов, формируемых входным каскадом на ёмкостной нагрузке.

14. Предложены схемы измерительных установок и методы определения критических параметров воздействия (амплитуды, длительности и частоты следования СКИ), при которых велика вероятность появления логических сбоев в цифровых схемах КМОП-логики, содержащих триггеры Шмитта и синхронные триггеры.

15. Проведённое исследование имеет фундаментальное значение, поскольку раскрывает физику воздействия импульсных перегрузок на полупроводниковые приборы, и прикладное, поскольку позволяет оценивать стойкость реальных транзисторных схем к воздействию помех в виде сверхкоротких импульсов больших и малых амплитуд.

1. Авдеев В. Б. Помехи и сбои при воздействии мощных наносекундных импульсов на приемо-передатчики сотовой и мобильной связи / В. Б. Авдеев,

2. A. В. Авдеева, А. В. Бердышев // Радиоэлектроника — 2004 №10 — С. 47-53.

3. Антипин В. В. Изменение параметров малошумящего усилителя при воздействии мощных импульсных помех / В. В. Антипин, В. А. Годовицын, Д. В. Громов и др. //Радиотехника.- 1991.-№8.-С. 18-20.

4. Антипин В. В. Деградация малошумящих СВЧ полевых транзисторов с затвором Шоттки на арсениде галлия при воздействии мощных импульсных микроволновых помех / В. В. Антипин, В. А. Годовицын, Д. В. Громов и др. // Радиотехника.- 1994.- №8.- С. 33-38.

5. Антипин В. В. Влияние мощных импульсных микроволновых помех на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы / В. В. Антипин,

6. B. А. Годовицын, Д. В. Громов и др. // Зарубежная радиоэлектроника— 1995.- №1- С. 37-53.

7. Баранов И. А. Стойкость твердотельных модулей СВЧ к кратковременным электроперегрузкам / И. А. Баранов // Обзоры по электронной технике. Сер. 1, СВЧ техника М.: ЦПИП «Электроника».- 1997 - 111 с.

8. Бачурин В. В. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник под ред. В. П. Дьяконова. / В. В. Бачурин, В. Я. Ваксенбург, В. П. Дьяконов [и др.].- М: «Радио и связь».- 1994- 280 с.

9. Бобрешов А. М. Экспериментальное определение стойкости полевых транзисторов к импульсным перегрузкам / А. М. Бобрешов, A.B. Дыбой, Ю. И. Китаев и др. // Приборы и техника эксперимента 2007 - №5 - С. 108-113.

10. Бобрешов А. М. Системы автоматизированного проектирования полупроводниковых компонентов радиоэлектронных схем. Crosslight APS YS: учебное пособие / А. М. Бобрешов, И. С. Коровченко, М. П. Ряполов и др. Воронеж: ИПЦ ВГУ.- 2009.- 33 с.

11. Бойко В. И. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства / В. И. Бойко, А. Н. Гуржий, В. Я. Жуйков и др..- СПб.: БХВ-Петербург-2004.-512 с.

12. Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы / Л. Н. Бочаров- М.: «Радио и связь».- 1984.- 80 с.

13. Викулов О. В. Современное состояние и перспективы развития авиационных средств радиоэлектронной борьбы / О. В. Викулов, В. Д. Добыкин, В. В. Дрогалин и др. // Успехи современной радиоэлектроники.— 1998 — №12 — С. 3-16.

14. Горлов М. И. Электростатические заряды в электронике / М. И. Горлов, М. И. Емельянов, В. И. Плебанович Минск: «Белорусская наука».- 2006295 с.

15. Гурский Л. И. Зарядовые свойства МОП-структур / Л. И. Гурский, Н. В. Румак, В. В. Куксо Минск: «Наука и техника».- 1980 — 200 с.

16. Гуртов В. А. Основы физики структур металл диэлектрик - полупроводник: Учеб. Пособие / В. А. Гуртов // Петрозаводский государственный университет им. О.В. Куусинена - Петрозаводск — 1983 - 92 с.

17. Гуртов В. А. Твердотельная электроника: Учеб. Пособие / В. А. Гуртов — М.- 2005.- 492 с.

18. Ди ЛоренцоД. В. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления: Пер. с англ. / Под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Л.Д. Канделуола М.: Радио и связь - 1988 - 496 с.

19. Дмитриев А. С. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети / А. С. Дмитриев, Е. В. Ефремова, А. В. Клецов и др. // Радиотехника и электроника.-2008.-Т. 53.-№10.- С. 1278-1289.

20. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ / И. Достал — М.: Мир— 1982.-512 с.

21. Дьяконов В. П. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах / В.П. Дьяконов, A.A. Максимчук, A.M. Ремнев и др..-М.: СОЛОН-Р- 2002.-512 с.

22. Зи С. Физика полупроводниковых приборов / С. Зи.— М.: «Мир».- 1984456 с.

23. ИммореевИ. Я. Сверхширокополосные радары. Особенности и возможности / И. Я. Иммореев // Радиотехника и электроника.- 2009.- Т. 54 — №1- С. 5-31.

24. Кошелев В. И. Оценивание информационных характеристик радиолокационных объектов при сверхширокополосном зондировании / В. И. Кошелев, В.Т. Сарычев, С.Э. Шипилов и др.//«Журнал радиоэлектроники».-2001 №6.

25. КроуфордР. Схемные применения МОП-транзисторов: Пер. с англ / Р. Кроуфорд — М.: «Мир».- 1970 192 с.

26. Линдквист П. Ф. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления / П. Ф. Линдкист, У. М. Форд —М.: Радио и связь 1988.- С. 7-36.

27. Литовченко В. Г. Основы физики микроэлектронных систем металл-диэлектрик-полупроводник / В. Г. Литовченко, А. П. Горбань Киев: «Науко-ва думка».— 1978- 316 с.

28. Мартин Г. М. Полуизолирующие соединения AIIIBV / Г. М. Мартин М.: Металлургия.- 1984.-С. 18-32.

29. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника / В. И. Меле-шин — М.: Техносфера 2005 - 632 с.

30. Милне А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках / А. Милне-М.: Мир 1977- 564 с.

31. Миловзоров В. П. Элементы информационных систем / В. П. Миловзо-ров.- М.: «Высшая школа».- 1989 — 440 с.

32. Мэк Р. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению: Пер. с англ / Р. Мэк-М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1».- 2008 272 с.

33. Овсюк В. Н. Введение в физику структур металл-диэлектрик-полупроводник: курс лекций / В. Н. Овсюк // Новосибирский государственный университет — Новосибирск,— 1976 Ч.1.— 54 с.

34. Овсюк В. Н. Введение в физику структур металл-диэлектрик-полупроводник: курс лекций / В. Н. Овсюк // Новосибирский государственный университет —Новосибирск.- 1977 4.2.- 69 с.

35. Пожела Ю. Физика быстродействующих транзисторов / Ю. Пожела // АН ЛитССР. Ин-т физики полупроводников Вильнюс: Моклас - 1989 - 264 с.

36. Разуваев Ю. Ю. Механизмы обратимых отказов ваАэ ПТШ при мощных импульсных воздействиях / А. М. Бобрешов, А. В. Дыбой, Ю. Ю. Разуваев и др. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы— 2008 — Т.11.-№3.-С. 60-68.

37. Разуваев Ю. Ю. Экспериментальное исследование стойкости интегральных триггеров Шмитта КМОП-логики к сверхкоротким импульсным перегрузкам / А. М. Бобрешов, А. В. Дыбой, Ю. Ю. Разуваев и др. // Измерительная техника.- 2009 №12.- С. 46-50.

38. Разуваев Ю. Ю. Деградация интегральных триггеров Шмитта КМОП-логики под воздействием сверхкоротких импульсных перегрузок / А. М. Бобрешов, А. В. Дыбой, Ю. Ю. Разуваев и др. // Известия вузов. Электроника-2009.-№6.-С. 28-36.

39. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники / И. П. Степаненко.— М.: Лаборатория Базовых Знаний 2000 - 488 с.

40. Титце У. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том I: Пер. с нем / У. Титце, К. Шенк.- М.: ДМК Пресс.- 2008.- 832 с.

41. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника / Е. П. Угрюмов — СПб.: БХВ-Петербург.- 2004.- 528 с.

42. Уэйкерли Дж. Ф. Проектирование цифровых устройств / Дж. Ф. Уэйкер-ли М.: Постмаркет - 2002 - Т.1.- 544 с.

43. Фишер Дж. Э. Электроника от теории к практике: Пер. с англ / Дж. Э. Фишер, X. Б. Гетланд- М.: «Энергия^ - 1980 - 400 с.

44. Фомичев К. Электромагнитное оружие. Перспективы применения в информационной борьбе / К. Фомичев, К. Юдин // Электроника: Наука, Технология, Бизнес М - 1999 - №6- С. 40-44.

45. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия: Пер. с англ. / М. Шур.- М.: «Мир».- 1991.- 632 с.

46. Шур М. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах, кн. 1. Пер. с англ. / М. Шур.- М.: Мир.- 1992.- 479 с.

47. Юшков Ю. Г. Экспериментальное исследование воздействия сверхвысокочастотных импульсов на работу персонального компьютера / Ю. Г. Юшков, П. Ю. Чумерин, С. Н. Артёменко и др. // Радиотехника и электроника — 2001.— Т.46.- №8 С. 1020-1024.

48. APSYS User's Manual Version 2005.11 1st Edition Text. / Crosslight Software Inc.- 2005- 494 p.

49. Blakemore J. S. Semiconducting and other major properties of gallium arsenide / J. S. Blakemore // J. Appl. Phys.- 1982 V.53- №10.- P. 123-181.

50. Cellere G. Influence of Dielectric Breakdown on MOSFET Drain Current / G. Cellere, A. Paccagnella, A. Mazzocchi et al. // IEEE Transactions on electron devices.- 2005.- Vol.52.- №2.- P. 211-216.

51. Chen T. P. Interface Trap Generation by FN Injection under Dynamic Oxide Field Stress / T. P. Chen, Stella Li, S. Fung et al. // IEEE Transactions on electron devices.- 1998.-Vol.45 .-№9.-P. 1920-1926.

52. Chen T. P. Post-Stress Interface Trap Generation Induced by Oxide-Field Stress with FN Injection / T. P. Chen, Stella Li, S. Fung et al. // IEEE Transactions on electron devices.- 1998.- Vol.- 45.- №9.- P. 1972-1977.

53. Chen J. The Impact of Gate-Oxide Breakdown on Common-Source Amplifiers With Diode-Connected Active Load in Low-Voltage CMOS Process / J. Chen, M. Ker // IEEE Transactions on electron devices.-2007.-Vol.54.-№l 1.- P. 2860-2870.

54. Crosslight Device Simulation Software A General Description: Updated: 2005.3 Text. / Crosslight Software Inc.- 2005.- 420 p.

55. Degraeve R. New Insights in the Relation Between Electron Trap Generation and the Statistical Properties of Oxide Breakdown / R. Degraeve et al. // IEEE Transactions on electron devices.- 1998 Vol.45.- №4.- P. 904-910.

56. Fairchild Semiconductor. CMOS Schmitt Trigger A Uniquely Versatile Design Component // fairchildsemi.com: Application Note 140, June 1975. URL: http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-140.pdf (дата обращения 26.02.2011).

57. Horio К. Simplified simulations of GaAs MESFET's with semi-insulating substrate compensated by deep levels / K. Horio, Y. Fuseya, H. Kusuki et al. // IEEE Trans. Computer-Aided Design.- 1991.-V. 10.-№10.-P. 1295-1302.

58. Kaczer B. Impact of MOSFET Gate Oxide Breakdown on Digital Circuit Operation and Reliability / B. Kaczer, R. Degraeve, M. Raseas et al. // IEEE Transactions on electron devices.- 2002.- Vol.49.- №3.- P. 500-505.

59. Kocot C. Backgating in GaAs MESFET's / C. Kocot, C. A. Stolle // IEEE Transactions Electron Devices.- 1982.- V.29.- №7.- P. 1059-1064.

60. Martin G. M. Compensation mechanisms in GaAs / G. M. Martin, J. P. Farges, G. Jacob et al. // J. Appl. Phys.- 1980.- V.51.-№5.- P. 2840-2852.

61. Meyers C. J. Asynchronous Circuit Design / C. J. Meyers New York: John Wiley & Sons, Inc.- 2001.-419 p.

62. Sah С. Fundamentals of solid-state electronics / C. Sah Singapore: World Scientific Publishing Co. Pfc. Ltd.- 1994.- 1010 p.

63. Shockley W. Statistics of the Recombinations of Holes and Electrons / W. Shockley, W. T. Read // Phys. Rev.- 1952 V.87.- №5- P. 835-842.

64. Программа для расчёта объёмного заряда

65. АрвуБЕ^. Автор Разуваев Ю.Ю.

66. Список модифицируемых Файлов:1. Выбрать Файлы

67. О: тпи^^сЬоКкуг. $1с10002 Р: ЧБ ¡тикЛгсИоКкуг. в^с10001

68. Параметры Название графика: (3/стЛ312 1 /см"3.=1.5е16

69. I Получить только сечения Обработка Файлов.1. Сг 1/см 3.= 15е16х Оу0.51. Анализ файла.1. Стоп

70. Рис. I. Программа для расчёта объёмного заряда

71. Программа для построения векторных графиков

72. AntiCAD2.1. Автор Разуваев Ю.Ю. ¡X

73. D:\TeKCTM\nHCceprrauHflSM0SreTS\n+10SFETKn505r4Puls|B27.5 |с шагом 11 с шагом 5до 2 Шаг подписей по X Н Мелких рисок: 4 !ддо 20 Шаг подписей по У ¡1 Мелких рисок: 4

74. Подписи на осях X начиная с о1. Y начиная с ¡049 4.85 4.8 4.75 4.7 4.65 4 S 4.55 4.5 4 45 4.4 4.35 4.3

75. Рис. И. Программа для построения векторных графиков

76. Программы интерфейсы измерительных установок

77. Рис. III. Программа-интерфейс измерительной установки, с помощью которой исследовалось воздействие СКИ на микросхемы триггеров Шмитта КМОП-логики

78. Тест СКИ. Автор РазуваевЮ.Ю.1. Порт:1. Частота импульсов:

79. Число импульсов: О Время экспозиции1. Частота ПЛИС:1. С0М51000001. Гц1000С|0.140Мгц

80. Серия -> 4 байта переключений

81. Импульс -> байт переключений1. Рассасывание1. Получены данные:1. Очистить1. Сохранить

82. Записывать время до первого переключения в файл1. Пауза (с):1. РАС601. Запустить таймер1. Значение регистра: 21. Установить

83. Phc.IV. Программа интерфейс измерительной установки, с помощью которой исследовалось воздействие СКИ на счётные триггеры КМОП-логики1. Измерительные установки

84. Рис. V. Модули инвертирующих усилителей на МОП-транзисторах

85. Рис. VI. Универсальная измерительная установка, разработанная для экспериментального исследования воздействия СКИ на триггеры Шмитта

86. Рис. VII. Модуль высокоскоростного (до 1 Мбайт/с) интерфейса иБВ

87. Испытуемые цифровые микросхемы КМОП-логики устанавливались в тестовые модули рис. XIX, обеспечивающие простоту замены микросхем и позволяющие гибко использовать измерительные установки.1. Г rrf"Mr

88. Рис. VIII. Макетная плата с ПЛИС фирмы Xilinx XC2S50

89. Рис. IX. Тестовые модули для испытания микросхем: а синхронных Э-триггеров SN74HC74N б - 4-х разрядных двоичных счётчиков 8Н74НС163Ы в - триггеров Шмитта 8М74НС14К