Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обратимая деградация ПТШ при воздействии импульсных помех нано- и субнаносекундной длительности 32
1.1. Проявление эффекта обратного управления ПТШ под действием импульсной перегрузки во входной цепи 36
1.2. Обратимая деградация ПТШ под действием периодических импульсов 39
1.3. Экспериментальное исследование обратимой деградации ПТШ под действием периодических импульсов 44
1.4. Деградационные процессы характеристик ПТШ при воздействии сверхкоротких видеоимпульсов 51
1.4.1. Исследование воздействия СКИ положительной полярности 58
1.4.2. Исследование воздействия СКИ отрицательной полярности 64
1.4.3. Механизм обратимой деградации ПТШ, при воздействии СКИ. Интерпретация результатов 72
1.5. Модели эффектов деградации характеристик ПТШ при воздействии СКИ 79
1.5.1. Определение параметров структурных моделей ПТШ 81
1.5.2. Разработка математической модели деградационных процессов в ПТШ и определение её параметров на основе экспериментальных данных 91
1.5.3. Применение модели деградационных процессов ПТШ в пакетах схемотехнического проектирования 102
1.6. Физическая модель GaAs ПТШ для рассчета объёмного заряда в полуизолирующей подложке 108
1.7. Характеристики электромагнитной совместивости МШУ при воздействии СКИ 113
1.7.1. Коэффициент обратимой деградации 113
1.7.2. Верхняя граница динамического диапазона по обратимой деградации МШУ 116
Выводы 132
Глава 2. Воздействие импульсных электроперегрузок на полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов и элементы цифровой КМОП логики 134
2.1. Воздействие СКИ на НЕМТ транзисторы 135
2.1.1. Экспериментальное исследование воздействия СКИ на НЕМТ транзисторы 135
2.1.2. Механизм воздействия СКИ на полевые транзисторы 137
2.1.3. Моделирование воздействия СКИ на НЕМТ 141
2.2. Воздействие СКИ на n-канальный МОП-транзистор 146
2.2.1. Методика экспериментального исследования воздействия СКИ на n-канальный МОП-транзистор 146
2.2.2. Результаты экспериментального исследования воздействия СКИ на n-канальный МОП-транзистор 147
2.2.3. Интерпритация экспериментальных результатов 152
2.3. Воздействие СКИ на триггеры Шмита КМОП-логики 155
2.3.1. Методика экспериментального исследования воздействия СКИ на триггеры Шмита КМОП-логики 155
2.3.2. Результаты экспериментального исследования воздействия СКИ на триггеры Шмита КМОП-логики и их интерпритация 161
Выводы 169
Глава 3. Автоматизированный измерительный комплекс для тестирования стойкости элементной базы к воздействию сверхкоротких импульсных помех 171
3.1. Тестирование полупроводниковой электронной элементной базы на стойкость к импульсным воздействиям 173
3.2. Описание программного обеспечения автоматизированного измерительного комплекса 177
3.3. Методика отбора транзисторов по критериям стойкости к СКИ 184
Выводы 191
Глава 4. Разработка генераторов сверхкоротких импульсных сигналов на основе диодов с накоплением заряда 192
4.1. Процессы переключения в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда в режиме генерации СКИ 193
4.1.1. Режим накопления электронно-дырочной плазмы в полупроводниковой структуре диода 193
4.1.2. Параметры диодов с накоплением заряда 198
4.1.3. Процессы при генерации сверхкоротких импульсов в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда. Токи утечки 200
4.1.4. Экспериментальное исследование переходных процессов в диодах с накоплением заряда в режиме переключения 208
4.1.5. Измерение параметров ДНЗ 214
4.2. Разработка модели диодов с накоплением заряда 220
4.2.1. Модель ДНЗ, учитывающая процессы накопления паразитного заряда в легированных областях 223
4.2.2. Реализация модели диода с накоплением заряда в САПР 226
4.2.3. Методика определения параметров модели ДНЗ по экспериментальным данным 233
4.3. Разработка генератора сверхкоротких импульсов с индуктивным накопителем энергии 237
4.3.1. Метод генерации сверхкоротких импульсов с длительным накоплением заряда 240
4.3.2. Способ генерации СКИ с одновременной накачкой заряда ДНЗ и накоплением магнитной энергии 249
4.4. Методы формирования опорных импульсов нано и субнаносекундной длительности 255
Выводы 263
Глава 5. Методы излучения сверхширокополосных импульсных сигналов 264
5.1. Моделирование сверхширокополосной системы, излучающей сверхкороткие импульсы 265
5.1.1. Параметры антенных систем при излучении сверхкоротких импульсов 265
5.1.2. Моделирование электродинамических систем во временной области 268
5.1.3. Граничные и начальные условия при расчете рассеянного и излученного поля 278
5.1.4. Моделирование ТЕМ-рупорной антенны для излучения СКИ 289
5.2. Оптимизация параметров систем излучения СКИ для улучшения их характеристик 300
5.2.1. Управление положением главного лепестка импульсной АФАР 302
5.2.2. Влияние параметров ТЕМ-рупора на характеристики излучения СКИ 305
5.2.3. Метод компенсации неравномерности энергетической диаграммы направленности ТЕМ-рупора 315
5.2.4. Метод компенсации искажения СКИ при излучении СШП антенной 318
5.3. Методы совместного моделирования антенн и формирователя сверхкоротких импульсов 337
5.4. Синтез сверхкоротких импульсных сигналов произвольной формы 347
Выводы 355
Заключение 356
Библиографический список использованной литературы 359
- Обратимая деградация ПТШ под действием периодических импульсов
- Методика экспериментального исследования воздействия СКИ на триггеры Шмита КМОП-логики
- Процессы при генерации сверхкоротких импульсов в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда. Токи утечки
- Моделирование электродинамических систем во временной области
Введение к работе
Актуальность темы.
Проводимые в диссертационной работе исследования, направлены на обеспечение надежности и устойчивого функционирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в условиях импульсных помех и развитие методов генерации и излучения сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности (сверхкороткий импульс).
Применение сверхкоротких импульсов (СКИ) расширяет функциональные возможности существующих радиоэлектронных систем, а также позволяет создавать принципиально новые системы, предназначенные для решения широкого круга научно-технических, военных и социальных проблем. Переход от узкополосных сигналов к нано и субнаносекундным требует решения большого круга фундаментальных задач, связанных с тем, что принципы генерации СКИ, методы их излучения и приема, а также методы обработки сигналов и извлечения из них полезной информации, коренным образом отличаются от используемых в случае узкополосных сигналов. Так, методы формирования узкополосных сигналов основаны на генерации гармонических сигналов и их модуляции, в то время как генератор СКИ формирует видеоимпульсы. Форма сверхкороткого сигнала претерпевает существенные изменения на всех этапах его распространения: при передаче по фидерным трактам, при излучении, распространении в дисперсной среде, при отражении от объекта локации и приеме. Перечисленные особенности настолько существенны и принципиальны, что разработка радиосистем на основе сверхширокополосных импульсных сигналов выливается в самостоятельное научно-техническое направление с собственными методами анализа и нетрадиционными схемотехническими решениями.
В настоящее время существуют публикации, которые посвящены исследованию процессов протекающих в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при генерации СКИ. В ряде работ приводиться физические интерпретации процессов при работе диода в импульсном режиме. Известны работы, в которых предложены математические модели диодов с накоплением заряда и проведено исследование их сходимости. Однако не освещается проблема минимизации «паразитного» заряда в полупроводниковой структуре прибора для улучшения характеристик формируемых импульсов. Процесс накопления этого заряда зависит от режима работы ДНЗ и может существенным образом влиять на процесс восстановления обратного сопротивления, что в свою очередь определяет такие параметры формируемого генератором сигнала, как амплитуда, длительность и максимальная частота следования импульсов. Эти параметры так же зависят и от способа формирования СКИ. На сегодняшний день максимальная частота повторения, которая достигается с использованием известных схем формирователей, составляет сотни килогерц. Для улучшения основных характеристик генератора становится необходимым учет «паразитных» эффектов в ДНЗ.
Излучатели СШП импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности с одной стороны должны обладать минимально возможными размерами, а с другой - обеспечивать приемлемый уровень согласования
генератора и антенны, заданное распределение энергии в пространстве. Невысокая средняя мощность сигнала на выходе существующих малогабаритных формирователей приводит к тому, что эффективная генерация и излучение являются целью при разработке излучателей сверхкоротких импульсов. Проектирование антенны без учета выходных характеристик формирователя не приемлемо, так как оба этих устройства подвержены взаимовлиянию, что сказывается как на форме генерируемого сигнала, так и на характеристиках излучения антенны. Построение совместной схемотехнической модели генератора и антенны представляется необходимым для эффективного излучения сверхкоротких импульсов.
В качестве характеристик излучателей, применяемых в таких системах, обычно рассматриваются энергетические диаграммы направленности, форма поля в заданных точках пространства, уровень согласования между антенной и генератором, или зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты в полосе, перекрывающей спектр. Эти характеристики определяются геометрией антенны и сигналом на выходе формирователя. Можно выделить два пути повышения эффективности излучения сверхкоротких импульсов: оптимизация геометрии антенны, синтез сигнала требуемой формы на выходе генератора.
Так, применение СКИ в импульсных сканирующих антенных решетках имеет особенность, связанную с методом формирования главного лепестка ДН. Вместо фазовых сдвигов для каждого элемента подбирается временная задержка таким образом, чтобы в требуемую точку пространства все сигналы пришли синхронно. При этом энергетическая ДН излучателя определяет возможный диапазон управления положением главного лепестка. Характеристики антенны и генератора, как правило, не позволяют получить сигнал требуемой формы на заданном расстоянии от излучателя. В системах с электронным сканированием пространства может возникнуть необходимость в сохранении формы СКИ в определенном угловом диапазоне на заданном расстоянии от антенны. Наиболее интересным представляется синтез сигнала исходя из характеристик имеющегося генератора без применения дополнительных источников.
Несмотря на наличие большого количества публикаций, посвященных излучающим сверхкороткие импульсы антеннам, вопросы оптимизации энергетических диаграмм направленности (ДН) для конкретного требуемого сигнала и компенсации искажения формы поля на заданном расстоянии от антенны освещены недостаточно.
Усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО), связанное с непрерывным увеличением числа радиоэлектронных средств (РЭС) и загруженностью освоенных диапазонов, влечет за собой возрастание общего уровня электромагнитных помех. Стойкость радиоаппаратуры к импульсным перегрузкам различного вида и происхождения является важнейшим фактором надежности её функционирования. Такие перегрузки могут возникать в результате действия преднамеренных или непреднамеренных помех. Здесь главной проблемой является стойкость полупроводниковых приборов и схем, входящих в состав радиоаппаратуры.
При исследовании мощных импульсных воздействий на сложные радиоэлектронные системы рациональным путем упрощения задачи является выделение в этих системах уязвимых элементов и дальнейшее изучение эффектов воздействия на эти элементы, поскольку именно они определяют поражающее действие импульсных излучений на систему в целом. Наиболее вероятно их действие по радиочастотным трактам. В этих условиях, как и в случае СВЧ-импульсов, одним из основных уязвимых элементов РЭС оказываются транзисторные малошумящие усилители радиочастоты (МШУ) приемников и транзисторы, на основе которых они выполнены. В настоящее время наиболее широкое применение в МШУ нашли арсенид галлиевые полевые транзисторы с затвором Шоттки (GaAs ПТШ) и транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). В современных РЭС также большую роль играет программное обеспечение для решения задач на всех этапах обработки сигналов. Основным элементом, обеспечивающим функционирование современных цифровых, в том числе вычислительных средств, являются транзисторы, изготовленные по МДП (МОП) технологии. В интересах обеспечения устойчивости функционирования современных систем радиолокации, связи и управления особый интерес представляет исследование влияния импульсных перегрузок на функционирование GaAs ПТШ, НЕМТ и полевых МДП-транзисторов. В аппаратуре, имеющей в своем составе большое число взаимодействующих между собой уязвимых элементов, например в цифровых системах, представляют интерес функциональные нарушения, характерные для целых схем и блоков. В связи с этим в работе исследованы эффекты воздействия СКИ на некоторые из базовых цифровых интегральных КМОП схем, входящих в состав большинства цифровых систем.
Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных задач определяет актуальность тематики данной диссертации.
Целью диссертационной работы является развитие методов генерации и излучения сверхширокополосных импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности, а также улучшение характеристик помехоустойчивости приемных и усилительных элементов РЭА, построенных на базе ПТШ, НЕМТ транзисторов и триггеров Шмитта.
Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее целей:
исследовать процессы, протекающие в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при формировании сверхширокополосных импульсных сигналов;
разработать модель диода с накоплением заряда, учитывающую выявленные процессы накопления, рассасывания и рекомбинации неосновных носителей в его полупроводниковой структуре;
разработать методы формирования СКИ, позволяющие улучшить характеристики генераторов и сигналов на их выходе с учетом характеристик излучающих систем;
исследовать характер поведения GaAs ПТШ, НЕМТ транзисторы под действием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности;
разработать методики и автоматизированный измерительный комплекс для исследования воздействия сверхкоротких импульсов нано и субнаносекундной длительности на полевые транзисторы;
разработать методы отбора электронной элементной базы РЭА по критериям стойкости к импульсным помехам;
разработать модели, позволяющие учесть воздействие импульсных помех нано и субнаносекундной длительности на полевые транзисторы;
определить характеристики электромагнитной совместимости, отвечающие сущности воздействия импульсного типа;
исследовать методы анализа и синтеза сверхширокополосных антенн для повышения эффективности излучения сверхкоротких импульсных сигналов;
предложить методы компенсации искажений излученного СКИ и синтеза импульсных сигналов произвольной формы на заданном расстоянии от излучателя.
Методы исследования
Для решения задач диссертационной работы использовались экспериментальные и теоретические методы исследований. Разработка экспериментальных методов, макетов и испытательных стендов на их основе является важной частью диссертационной работы. В качестве теоретических методов были использованы методы теории электрических цепей и радиотехнических сигналов, методы оптимизации, методы математического и компьютерного моделирования, физическое моделирование, численные методы расчета и анализа, математический аппарат дифференциальных уравнений.
Научная новизна диссертационной работы определяется развитием методов генерации и излучения сверхширокополосных импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности, а также улучшением характеристик стойкости полупроводниковой элементной базы радиоэлектронных систем при воздействии сверхширокополосных импульсных помех. Научная новизна, в частности, заключается в следующем:
в работе впервые экспериментально исследованы эффекты обратимой деградации характеристик полевых транзисторов с затвором Шоттки, полевых транзисторов с высокой подвижностью и элементов цифровой КМОП-логики при воздействии импульсных помех нано и субнаносекундной длительности;
на основе экспериментальных зависимостей выявлены основные физические механизмы, влияющие на степень воздействия сверхширокополосных импульсных сигналов на элементную базу радиоэлектронных систем;
предложены математические модели, учитывающие эффекты обратимой деградации характеристик полевых транзисторов с затвором Шоттки при воздействии импульсных помех нано и субнаносекундной длительности;
разработаны методы и критерии отбора элементной базы радиоэлектронных систем устойчивой к воздействию сверхширокополосных импульсных помех нано и субнаносекундной длительности;
выявлены процессы, влияющие на работу диода при генерации импульсных сигналов, предложены методы формирования СКИ с улучшенными параметрами;
- на основе разработанных моделей диода с накоплением заряда, генератора и
антенной системы предложены и исследованы методы компенсации искажений
излученных сверхширокополосных импульсных сигналов.
Достоверность научных результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается корректным применением математических методов, соответствием известным фундаментальным теоретическим представлениям и экспериментальным данным, совпадением новых результатов с известными в частных случаях, соответствием результатов моделирования экспериментальным данным.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты теоретических и экспериментальных исследований эффектов обратимой деградации при воздействии сверхширокополосных импульсов нано и субнаносекундной длительности на полевые транзисторы и элементы цифровой КМОП-логики;
физические механизмы обратимой деградации при воздействии сверхширокополосных импульсов нано и субнаносекундной длительности на полевые транзисторы и элементы цифровой КМОП-логики;
методы и критерии отбора элементной базы радиоэлектронных систем устойчивой к воздействию сверхширокополосных импульсных помех нано и субнаносекундной длительности;
математические модели, учитывающие эффекты обратимой деградации характеристик полевых транзисторов с затвором Шоттки при воздействии импульсных помех нано и субнаносекундной длительности;
модель диода с накоплением заряда, результаты теоретического и экспериментального исследования процессов генерации импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительности, методы и схемотехнические решения для улучшения параметров генерируемых импульсных сигналов;
метод компенсации искажений излученного СКИ и синтеза импульсных сигналов произвольной формы в дальней зоне.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы в различных областях радиофизики и полупроводниковой техники, при синтезе генераторов импульсов сверхкороткой длительности, разработке систем связи, в сверхширокополосной радиолокации, при тестировании стойкости полупроводниковых элементов к импульсным перегрузкам, в медицинских системах диагностики и системах радиоэлектронной борьбы. В частности:
разработанные методика и измерительная установка для исследования воздействия импульсных перегрузок нано и субнаносекундной длительности на элементную базу радиоэлектронных систем могут быть использованы для отбора устойчивых к СКИ типов или экземпляров полевых транзисторов и элементов цифровой логики;
предложенные модели обратимой деградации и методики определения их параметров позволяют учесть данные эффекты на этапе проектирования радиоаппаратуры;
результаты исследования процессов, протекающих в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда, и методы минимизации утечек заряда могут быть использованы для улучшения характеристик формирователей сверхширокополосных импульсных сигналов в приемопередающих трактах систем радиолокации и связи;
результаты исследования процессов излучения сверхширокополосных импульсов и предложенные методы компенсации их искажений могут быть использованы при проектировании активных сканирующих антенных решеток для систем радиолокации и навигации.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии методов радиофизики применительно к задачам излучения и формирования сверхкоротких импульсных сигналов нано и субнаносекундной длительностей, а также в развитии методов повышения устойчивости работы радиоприемных и цифровых устройств при воздействии СКИ. Новые фундаментальные научные результаты, полученные в диссертации, по мнению автора, в совокупности представляют собой научное достижение, важное для создания новых электродинамических систем и устройств, работающих на основе сверхкоротких импульсных сигналов.
Реализация результатов. Научные результаты, полученные в ходе
настоящего диссертационного исследования, были использованы при выполнении
научно-исследовательских работ: «Нежин - 2» (Министерство обороны РФ,
государственный контракт №54018), «Диффузия-К-ВГУ» (Министерство обороны
РФ, государственный контракт № 64019/36-06), «Разработка методов и устройств
сверхширокополосной радиолокации биологических объектов с помощью
наносекундных и субнаносекундных импульсов» (Грант РФФИ
№ 08-02-99012р_офи), «Разработка теории и методов генерации, приема,
передачи, обработки информации и воздействия на радиоэлектронную аппаратуру
с помощью сверхкоротких импульсных сигналов нано и пикосекундной
длительности», «Разработка теории и методов сверхширокополосной
радиолокации и систем передачи информации с использованием сверхкоротких
импульсных сигналов» и «Разработка сверхширокополосных импульсных систем
связи для обеспечения помехозащищенного доступа к широкополосным
мультимедийным услугам» (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России на 2009 - 2013 годы» государственный контракт № Ш140,
№ 14.740.11.1081 и № 14.В37.21.0620), «Исследования физических процессов
распространения электромагнитных излучений сверхкоротких импульсных
сигналов без несущей, с разработкой и изготовлением макета формирователя
сигналов СШП» (ОАО «Концерн «Созвездие» договор №26/10), «Разработка
принципов генерации и обнаружения сверхширокополосных сигналов
наносекундной длительности» (составная часть НИОКР Министерство обороны
РФ «Унификация-Вега-АСС»), «Разработка методов излучения и приема
сверхширокополосных импульсных сигналов для систем радиолокации и связи»
(грант РФФИ 12-02-31736мол_а), «Разработка методов выявления латентных
технологических дефектов полупроводниковой элементной базы
приемопередающей электронной аппаратуры на основе сверхширокополосных импульсных сигналов» (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 годы, государственный контракт № 14.514.11.4079), «Разработка методов передачи информации с помощью сверхширокополосных импульсных сигналов нано - и пикосекундной длительности» (Стипендия Президента РФ молодым ученым и аспирантам, СП-1493.2012.5, приказ № 948 от 21.11.2012г. МИНОБРНАУКИ России).
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на:
-VIII, IX, X, XI, XII, XIII, XIV, XV, XVI, XVII, XVII, XVIII, XIX Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь», Воронеж, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 г., соответственно;
- 6, 7, 8, 9 Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и
электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2009, 2011 г.
соответственно;
- 20 Международном Цюрихском симпозиуме «Electromagnetic Compatibility»,
Швейцария, г. Цюрих, 2009 г.;
-62, 63, 65, 66, 67 Всероссийских конференциях «Научная сессия, посвященная Дню радио», Москва 2007, 2008, 2010, 2011 ,2012 г. соответственно;
- Научно-практической конференции «Связь и телекоммуникации
инновационное развитие регионов», Воронеж, 2011;
- 18-й Международной крымской конференции «СВЧ-техника и
телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 2008г.
10-й Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности, г. Санкт-Петербург, 2008 г.;
Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные исследования и разработки в области информационных технологий и связи», г. Воронеж, 2012 г.;
9 Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», Казань, 2008;
VI, VII, VIII, X, XI Международных научно - технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов», Казань, 2007 г., Самара, 2008 г., Санкт-Петербург, 2009 г., Самара, 2011 г. Екатеринбург, 2012 г. соответственно;
10-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», г.Дивноморское, 2006 г;
научных сессиях Воронежского государственного университета, г. Воронеж, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 95 печатных работ, из них 27 статей опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций
основных научных результатов на соискание ученой степени доктора наук, получен 1 патент на изобретение, 2 свидетельства о регистрации программы.
Личный вклад автора
Все результаты, сформулированные в положениях, выносимых на защиту, и составляющих научную новизну работы, получены Усковым Г.К. лично. В статьях и докладах, написанных в соавторстве, соискателю принадлежат постановка задач, выбор методов их решения, разработка математических моделей, проведение математического моделирования, разработка экспериментальных образцов, постановка и проведение экспериментальных исследований, анализ и интерпретация полученных результатов, разработка методик и алгоритмов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 275 наименований. Объем диссертации составляет 386 страниц, число рисунков
- 197, таблиц- 6.
Обратимая деградация ПТШ под действием периодических импульсов
Главной особенностью периодического воздействия на ПТШ по сравнению с воздействием одиночного импульса является наличие кумулятивного эффекта, в силу которого глубина деградации, достигаемая под действием периодических импульсов, может быть значительно больше, чем при одиночном импульсе той же амплитуды и длительности. Суть кумулятивного эффекта иллюстрируется схемой рис. 1.3, на которой воспроизведены условия реализованного эксперимента по воздействию на ПТШ периодических видеоимпульсов и где UJO - напряжение затвор-исток в рабочем режиме, Л_имп - напряжение импульса перегрузки, U0Tt - напряжение отсечки [15,16,19].
Процессы образования объемного заряда в подложке во время действия импульса и релаксации этого заряда в межимпульсном промежутке характеризуются определенными временами т3 и т соответственно. Интерпретация экспериментальных результатов в рамках используемых представлений возможна в предположении т3«т. В случае коротких испытательных импульсов, для которых выполняется ТИМП ТЛ, (1-І) кумулятивный эффект имеет место при не слишком больших периодах следования импульсов Т, таких что Т х. (1.2)
Действительно, при коротких импульсах (1.1) полного заполнения глубоких уровней за время действия импульса не происходит, также как при выполнении условия (1.2) в течение межимпульсного промежутка не происходит полной релаксации, поэтому после запуска импульсной последовательности каждый последующий импульс на затворе увеличивает число заполненных акцепторных центров, так что величина заряда, накопленного в подложке, нарастает, пока не установится стационарное состояние процесса, являющееся результатом динамического равновесия между периодически следующими фазами заполнения глубоких уровней подложки и их освобождения [14, 15].
Рассмотренное явление накопления заряда в подложке ПТШ проявляется в эксперименте в виде деградации тока стока, иллюстрируемой рис. 1.3. При постоянном Гимп каждому значению периода Т соответствует свое состояние динамического равновесия процесса перезарядки глубоких уровней, которому отвечает вид кривой релаксации /ст(0 в межимпульсном промежутке. Зависимость ICT(t) характеризуется значением начальной точки релаксации, определяемой максимальной толщиной зарядного слоя в конце испытательного импульса, и значением конечной точки, определяемой минимальной толщиной зарядного слоя, который достигается к концу межимпульсного промежутка. Интегральным показателем деградации тока стока может служить его среднее значение 7С.
В эксперименте при плавном изменении Т в широком диапазоне значений наблюдается весьма динамичная и наглядная картина изменения /с (т) от максимального значения при 7 т, до минимальных значений в пределе малых Т. Наблюдение уменьшения 7с(г) позволяет оценить глубину деградации ПТШ при заданной амплитуде импульсов /3_имп- Время послеперегрузочного восстановления ПТШ соответствует времени релаксации объемного заряда подложки т. Это время можно оценить в эксперименте как значение периода Т, после которого его увеличение больше не сопровождается возрастанием /Д15, 16].
При невыполнении хотя бы одного из условий (1.1) или (1.2) кумулятивный эффект отсутствует, соответственно отсутствует и выраженная зависимость /с (т). При всех 7 т фактически наблюдается результат действия одиночного импульса. При Гимп Тз наблюдаются различные временные отрезки одного и того же релаксационного процесса, начало которого соответствует максимальной толщине зарядного слоя, достигаемой при напряжении U3 имп.
Наличие кумулятивного эффекта приводит к тому, что действие периодических СВЧ-импульсов близко по своему эффекту к действию периодических видеоимпульсов, так что с помощью периодических видеоимпульсов можно воспроизвести условия деградации ПТШ, имеющие место под действием СВЧ-импульсов.
Методика экспериментального исследования воздействия СКИ на триггеры Шмита КМОП-логики
Измерительная установка, блок-схема которой представлена на рис. 2.11, позволяет воздействовать контактным способом на вход испытуемого триггера сверхкороткими видеоимпульсами различной частоты следования и амплитуды. При этом воздействие осуществляется в присутствии тестового сигнала, посредством которого осуществляется измерение гистерезиса триггера или оценка временных параметров процессов, связанных с деградацией прибора [63, 73].
Гистерезис триггера Шмитта определяется пороговыми уровнями напряжений логической единицы VT+ и логического нуля VT . Когда напряжение входного сигнала VT V VT+, триггер сохраняет предыдущее логическое состояние и таким образом исключает неопределённость. Под воздействием СКИ происходит смещение значений VT и VT , которое имеет обратимый характер: со временем параметры триггера восстанавливаются. Этот эффект можно трактовать как деградацию прибора, для которой характерно наличие стадий накопления, насыщения и восстановления. Когда воздействие представляет собой достаточно протяжённую во времени последовательность СКИ, процессы деградации и восстановления в среднем оказываются уравновешенными и имеет место насыщение эффекта. В стадии насыщения средние значения параметров прибора за период следования импульсов воздействия становятся неизменными. Этот случай представляет наибольший практический интерес, поскольку позволяет оценить максимальный уровень деградации прибора при заданном характере воздействия [63, 73, 125, 127].
Для автоматизированного измерения VT и VT+ при воздействии СКИ в стадии насыщения предлагается следующий алгоритм:
1) С помощью ЦАП устанавливается уровень напряжения на входе триггера Шмитта (начальное значение может быть О В);
2) подаются СКИ фиксированной амплитуды и частоты следования;
3) постоянное напряжение на входе последовательно увеличивается с шагом квантования ЦАП;
4) как только происходит переключение триггера, определяется VT по значению регистра ЦАП.
5) Затем напряжение на входе последовательно уменьшается с шагом квантования ЦАП;
6) как только происходит переключение триггера в исходное состояние, определяется Vy ПО значению регистра ЦАП.
Анализируя измеренные значения VT и VT+ в зависимости от параметров воздействия, можно определить критические условия эксплуатации прибора в присутствии СКИ, когда максимальные отклонения VT и VT+ ещё находятся в допустимых пределах, определяемых производителем микросхем триггеров или конкретными условиями эксплуатации.
Для определения временных параметров процессов, связанных с деградацией прибора, необходимо исследовать стадии накопления и восстановления при воздействии в виде одиночного импульса или последовательности импульсов. При этом измерение контролируемых параметров испытуемого прибора должно проводиться за время, допускающее лишь незначительное изменение измеряемых параметров. Очевидно, описанный алгоритм снятия петли гистерезиса в этом случае потребует ЦАП большого быстродействия, кроме того, будут наблюдаться интенсивные переходные процессы, наличие которых может поставить под сомнение достоверность получаемых результатов. Поэтому был применен метод тестирования пороговых уровней триггера прямоугольными импульсами заданной амплитуды с достаточно крутым фронтом (не более 4 не). Время последействия одиночного СКИ оценивается по следующему алгоритму:
1) На вход триггера подаётся сигнал в виде периодически повторяющихся пар импульсов: СКИ и следующего за ним тестового прямоугольного (периодичность необходима для осциллографирования), которые следуют с периодом много большим предполагаемого времени последействия. Тестовый импульс подаётся с некоторой задержкой At относительно СКИ и с амплитудой V=VT0 -5, где VT0+- порог «1» до воздействия, a 5«VT0 . Этот импульс может привести к переключению триггера только когда VT VT0 , т.е. когда порог не восстановился до исходного значения.
2) At уменьшается до тех пор, пока не будут наблюдаться переключения триггера. Полученное таким образом максимальное значение At есть не что иное, как время последействия или время, за которое триггер успевает восстановиться после воздействия СКИ заданной амплитуды. Измеренное по этому алгоритму время восстановления tB=Atmax определяет максимально допустимое значение частоты следования СКИ fmax=l/tB, при которой не происходит накопление эффекта деградации от импульса к импульсу и прогрессирующего изменения характеристик прибора .
В результате, измерительная установка позволяет оценивать стойкость различных микросхем триггеров Шмитта к сверхкоротким импульсным перегрузкам по измеряемой для каждого образца максимально допустимой амплитуде и частоте следования СКИ. Максимально допустимая частота следования определяется временем восстановления tB, а максимально допустимая амплитуда сверхкороткой импульсной перегрузки определяется по измеренным зависимостям VT и VT+ от амплитуды СКИ при заданных значениях их максимальных отклонений или, что на практике более важно, по максимально допустимому сужению зоны неопределённости (VT+- VT ) [125].
Измерительная установка для оценки стойкости триггеров Шмитта к импульсным перегрузкам по описанным в предыдущем разделе алгоритмам содержит генератор СКИ, вырабатывающий импульсы формы, близкой к гауссовой, с длительностью 250 пс по уровню 0.5 и амплитудой 80 В на согласованной нагрузке 50 Ом. Для регулировки амплитуды импульсов использовался набор широкополосных аттенюаторов, позволяющий изменять коэффициент ослабления с шагом 1 дБ. С помощью СВЧ трансформатора и разделительного конденсатора С6 осуществляется развязка генераторов тестового сигнала и СКИ и формирование смешанного сигнала, который подаётся на вход испытуемой микросхемы инвертирующего триггера Шмитта SN74HC14N. Для измерения параметров СКИ, воздействующих на триггер использовался стробоскопический осциллограф С9-9. Выходной сигнал испытуемого триггера наблюдался осциллографом Tektronix 2465А, второй канал которого использовался для одновременного наблюдения входного сигнала при измерении времени последействия СКИ. На рис. 2.12а представлена электрическая схема тестового модуля, представляющего собой отдельную плату, на которой осуществляется монтаж испытуемой микросхемы и подача СКИ с развязкой для тестового сигнала [63].
Тестовый сигнал формируется 8-ми разрядным ЦАП МАХ522 с усилителем мощности (схема которого представлена на рис. 2.126) для измерения гистерезиса и генератором прямоугольных импульсов Г5-56 для измерения времени последействия. Генератор импульсов Г5-56 позволяет формировать на выходах двух каналов прямоугольные импульсы с длительностью фронтов не более 4 не и с регулируемой амплитудой, длительностью и задержкой относительно запускающего сигнала.
Запускающий сигнал для генератора Г5-56 формируется микроконтроллером ATMegal6, который является управляющим элементом всей измерительной установки. Микроконтроллер также программирует ЦАП и осуществляет автоматизированное измерение гистерезиса испытуемого триггера Шмитта. Связь с персональным компьютером осуществляется посредством контроллера USB FT245BM, который представляет собой высокоскоростной преобразователь интерфейса универсальной последовательной шины USB в параллельный интерфейс. Встроенное программное обеспечение микроконтроллера и специально разработанная компьютерная программа позволяют координировать работу установки, проводить автоматизированные измерения и осуществлять обработку экспериментальных результатов.
Процессы при генерации сверхкоротких импульсов в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда. Токи утечки
Диоды с накоплением заряда (step recovery diodes - SRD) используются в качестве прерывателей тока в генераторах СКИ нано и субнаносекундной длительности с индуктивными накопителями энергии [149-153]. Работа SRD в схемах генерации основана на эффекте резкого восстановления обратного сопротивления диодов. Вследствие протекания через диод прямого тока (ток накачки) за счет инжекции электронно-дырочной плазмы в активную область диода происходит накопление положительных и отрицательных носителей заряда. Затем создаются условия (прикладывается обратное напряжение), при которых этот накопленный заряд рассасывается за счет протекающего обратного тока. Как только концентрация носителей активной области становится равной нулю, происходит обрыв тока диода из-за резкого восстановления высокого обратного сопротивления. В современных диодах время переключения может составляет десятки пикосекунд.
С момента накопления и до полного рассасывания активного заряда при генерации СКИ высокой амплитуды в полупроводниковой структуре диода могут проходить дополнительные процессы. Как было сказано в предыдущем подразделе, в качестве основных параметров ДНЗ используют время жизни носителей и время переключения. Время жизни носителей характеризует рекомбинацию носителей в активной области и определяет время, за которое их концентрация станет равновесной без протекания через диод обратного, рассасывающего заряд, тока. Кроме процессов рекомбинации электронно-дырочной плазмы в полупроводниковой структуре диода существуют токи обусловленные утечкой заряда из активной области через потенциальные барьеры. С такими процессами в настоящей работе связываются процессы, определяющие максимальный равновесный накопленный заряд наряду с прямым током и процессами рекомбинации. В работе показано, что токи утечки существенно влияют на процессы восстановления обратного сопротивления диода и приводят к накоплению заряда вне его активной области.
В настоящее время известно несколько полупроводниковых диодных структур, обладающих свойством резкого восстановления состояния с высоким сопротивлением [147-157], например р -п-п+ или п+-п-р-р+. Наиболее перспективной них является p-i-n структура, на примере которой могут рассматриваться основные процессы и свойства ДНЗ.
Рассмотрим упрощенную структуру SRD (рис. 4.2.). Будем считать, что диод состоит из трех областей полупроводника с различной концентрацией и типом проводимости. Первой областью будем считать зону полупроводника п -типа, второй - зону собственного полупроводника /-типа, и третья область - слой полупроводника р -типа. Зону собственного полупроводника /-типа будем называть активной областью. Полупроводниковые переходы образуются на границах раздела областей / и п+, а также / и р+ и способствуют накоплению заряда в / области (рис. 4.2). Омический контакт образуют металические электроды (анод и катод на рис. 4.2) в месте соединения с сильнолигированным полупроводником.
С момента времени, когда полупроводниковые переходы смещаются в прямом направлении начинаются процессы накопления заряда. Области с электронной и дырочной проводимостью инжектируют носители заряда в активную область (область собственного полупроводника Г). Через некоторое время вся область собственного полупроводника оказывается заполненной электронно-дырочной плазмой.
Вследствие инерционности процесса переноса заряда в случае, когда накопление заряда происходит за время, равное или меньшее времени пролёта носителями заряда расстояния, равного протяжённости / - слоя, к концу стадии накопления заряда инжектированный заряд оказывается сосредото ченным в / - области диода. Если время накопления заряда значительно больше времени пролёта носителей, то наблюдается другая картина. В локальном удерживании плазмы в активной области полупроводниковой структуры диода с накоплением заряда решающее значение имеют потенциальные барьеры на границах полупроводниковых областей после заполнения электронно-дырочной плазмой / - слоя. На рис. 4.3 представлено численно рассчитанное для SRD распределение потенциала в центре полупроводниковой структуры (пунктирная линия на рис. 4.2). Неподвижные заряды доноров и акцепторов в областях с электронной и дырочной проводимостью, а также-локальные скопления подвижных носителей заряда вблизи верхней и нижней границ собственного полупроводника обуславливают барьеры на границах полупроводниковых областей (рис. 4.3) [155]
Такие потенциальные барьеры не являются абсолютно непроницаемыми для носителей заряда активной области и, как следствие, происходит утечка заряда из /-области в виде потока дырок в п+ - область и потока электронов в р - область. Численное моделирование полупроводниковой структуры диода с накоплением заряда показало, чтос увеличением прямого тока (повышение напряжения анод-катод) на границах полупроводниковых областей уменьшается высота потенциальных барьеров и увеличивается величина токов утечки (рис. 4.3). Поэтому с увеличением прямого тока неизбежно паразитное накопление электронов в р - области и дырок в п+- области, которое происходит наряду с процессом накопления носителей в /-области.
Другой процесс, препятствующий накоплению заряда в /-области, это процесс рекомбинации накопленной электронно-дырочной плазмы. Как было сказано, увеличение величины равновесного накопленного заряда происходит с ростом прямого тока и, следовательно, повышается скорость рекомбинации. Таким образом, скорость и время рассасывания заряда в I-области диода зависят от прямого тока, и определяется следующими процессами: процессом рекомбинации в /-области, и процессами утечки из I-области электронов вр+- область и дырок в п+- область.
Рассмотрим процессы, протекающие в SRD. На рис. 4.4 А приведена упрощенная полупроводниковая структура диода, которая содержит три полупроводниковых слоя: слой п - типа, слой собственного полупроводника (активная область) / - типа и слой р - типа. На рис. 4.4 Б приведена упрощенная зонная энергетическая диаграмма диода с накоплением заряда. Будем считать, что на границах полупроводниковых слоев с разным типом проводимости зонная структура меняется скачкообразно. Тогда высота потенциальных барьеров в зоне проводимости на границах раздела полупроводниковых слоев равна Uci и Uc2, а высота барьеров в валентной зоне равна Uvl и Uv2. Будем считать положительными вышеуказанные величины.
В областях п+, I и р+ концентрации электронов будем считать равными nh п2, п3 соответственно, а концентрации дырок - ph р2, рз- Как уже говорилось, активной областью диода является слой собственного полупроводника / - типа, в котором происходит накопление заряда. Этот заряд инжектируется в активную область в виде электронов из п - слоя и в виде дырок шр+- слоя.
В работе диода в режиме генерации импульсов можно выделить следующие последовательные процессы: процесс накопления электронно-дырочной плазмы, процесс рассасывания электронно-дырочной плазмы и процесс восстановления обратного сопротивления, т.е. обеднения слоя собственного полупроводника [56, 149].
Выражение (4.17) означает, что в стационарном режиме ток утечки пропорционален квадрату заряда Qin /-области [125, 117].
Токи утечки накапливают неосновные носители в легированных р+ и п+ областях диода. Данный заряд вне активной области диода в настоящей работе называй «паразитным». Его наличие существенно влияет на процессы переключения диода.
Моделирование электродинамических систем во временной области
Современные методы численного электродинамического моделирования можно разделить на две категории: решающие систему уравнений Максвелла во временной области и в частотной. Необходимость рассчитывать описанные выше характеристики обуславливает выбор в пользу временных методов.
На сегодняшний день для моделирования СШП систем широко применяются два метода, реализованные в различных САПР (CST Microwave Studio, Remcom XFDTD, FEKO и т.п.): метод конечного интегрирования (МКИ или FIT - finite integration technique) и метод конечных разностей во временной области (МКРВО или FDTD - finite-difference time-domain method). Набор средств САПР, построенных на базе этих методов, позволяет решать широкий спектр прикладных задач.
Метод конечного интегрирования, предложенный Томасом Вейландом в 1977 году, представляет собой дискретную формулировку уравнений Максвелла в интегральной форме, удобную для реализации на ЭВМ и позволяющую моделировать реальные электромагнитные задачи со сложной геометрией [183].
Первый шаг для вывода уравнений FIT состоит в определении электромагнитной области (обычно с открытыми границами), ограниченной областью Q.. Следующий шаг заключается в разбиении расчетной области Q. на конечное число ячеек V/, таких как четырехгранные или шестигранные при условии, что все ячейки точно прилегают друг к другу, то есть пересечение двух различных ячеек либо отсутствует, либо должно быть двухмерным многоугольником, общей одномерной гранью обеих ячеек или точкой. Это разбиение дает конечную группу ячеек G, играющую роль расчетной сетки [183]. Для простоты при последующем описании считается, что расчетный объем имеет форму куба и разбиение на сетку вводится для декартовой системы координат так, что мы получаем набор ячеек, где узловые точки (х„ ур zk) пронумерованы в соответствии с координатами / = 1,7-1, у = 1,7-1 и k = i,K-\ вдоль осей X, Y и Z. Использование теории конечного интегрирования требует рассмотрения области одной ячейки V,, изображенной на рисунке 5.1. На рисунке 5.2 представлено взаимное расположение сетки G и дуальной сетки G, которая описывается ниже.
Дискретизация двух оставшихся уравнений Максвелла требует введения второй группы ячеек G, дуальной основному набору ячеек G [183].
Для декартовой сетки G дуальная (вторичная) сетка G определяется путем выбора для вершин ячеек сетки G центры ячеек сетки G (см. рисунок 5.2). В более общем виде, для неструктурированного набора ячеек G, также возможно брать центры тяжести ячеек как граничные вершины для определения дуальной сетки G . Такое определение может гарантировать взаимно однозначное отношение между ребрами ячеек G, пересекающими поверхности ячеек G , и наоборот. Вдоль граней Lk определенной таким образом сетки ячеек интегрирование напряженности магнитного поля дает магнитодвижущую силу
На поверхностях ячеек G электрические потоки и электрические токи распределяются по аналогии с электрическими напряжениями сетки и магнитными потоками граней на G.
Законы Гаусса и Ампера в интегральной форме могут быть дискрети-зированы для ячеек дуальной сетки аналогичным образом и сведены к матричным уравнениям с характерными топологическими операторами на сетке для дуального дискретного ротора С и для дуальной дискретной дивергенции S .
Для пары групп ячеек {G, G}, полный набор дискретных матричных уравнений, так называемых уравнений Максвелла на сетке (Maxwell-Grid-Equations, MGE), задается следующим образом
Приближение самого метода справедливы, когда величины напряжений и токов, располагающихся на двух различных наборах ячеек, связаны друг с другом через базовые материальные уравнения. В случае простых декартовых сеток две группы ячеек G и G взаимно ортогональны. Здесь направления, связанные с гранью и с проходящим сквозь эту грань дуальным ребром, идентичны. Кроме того, с взаимно однозначным соответствием между гранями и пересекающими их дуальными ребрами это приведет к дискретным материальным матричным уравнениям d = Me + p, ] = Мае, h = MMb-m, (5.14) характеризующимся только диагональными матрицами для линейных или изотропных материальных тензоров. Здесь М - матрица диэлектрических проницаемостеи, Ма— матрица проводимостей (обычно вырожденная), Мц— матрица магнитных проницаемостеи, а р и т связаны с электрической и магнитной поляризаций. Материальные матрицы в FIT содержат метрическую информацию уравнений Максвелла на сетке, т.е. усредненную информацию о материале в пределах сетки [183].
Система уравнений (5.21) решается итеративно, что является преимуществом метода FDTD: сначала вычисляется магнитное поле на п+\ итерации, используя значения полей на предыдущей итерации, затем - электрическое поле на «+1 итерации, используя значения электрического поля на предыдущей итерации и вычисленные на п+\ итерации значения магнитных полей. Алгоритм является устойчивым при выполнении условия Куранта для значений интервалов дискретизации [183-186].
