Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретическое исследование эффектов обратимой деградации . 21
1.1. Моделирование двумерных полупроводниковых структур полевых транзисторов. 22
1.2. Модель GaAs ПТШ для исследования образования объёмного заряда в полуизолирующей подложке . 32
1.3. Равновесный случай 37
1.4. Динамика процессов и зависимость от концентрации глубоких уровней в подложке 46
Выводы 61
Глава 2. Экспериментальное исследование эффектов обратимой деградации GaAs ПТШ . 62
2.1. Воздействие одиночных СКИ отрицательной полярности по входной цепи ПТШ. 63
2.2. Воздействие серии СКИ отрицательной полярности на затвор ПТШ 67
2.3. Исследование воздействия сверхкоротких видеоимпульсов на ПТШ, изготовленные на разных партиях подложки. 74
2.4. Воздействие серии СКИ на ПТШ в разных температурных режимах 88
Выводы 91
Глава 3. Малошумящий усилитель на ПТШ при воздействии сверхкоротких видеоимпульсов 93
3.1. Задача электромагнитной совместимости МШУ при воздействии серии сверхкоротких видеоимпульсов. 94
3.2. Экспериментальное исследование работы МШУ при воздействии видеоимпульсов субнаносекундной длительности. 102
3.3. МШУ при воздействии гармонических помех и видеоимпульсов субнаносекундной длительности 113
Выводы 122
Глава 4. Измерительный комплекс для исследования эффектов обратимой деградации при воздействии сверхкоротких видеоимпульсов 123
4.1. Описание и основные характеристики измерительного комплекса 124
4.2. Описание программного обеспечения автоматизированного измерительного комплекса 135
4.3. Методика испытаний транзисторов на воздействие серии субнаносекундных видеоимпульсов . 142
4.4. Методика испытаний помехозащищенности МШУ при воздействии серии СКИ 144
Выводы 152
Заключение 153
Библиографический список использованной литературы
- Модель GaAs ПТШ для исследования образования объёмного заряда в полуизолирующей подложке
- Воздействие серии СКИ отрицательной полярности на затвор ПТШ
- Экспериментальное исследование работы МШУ при воздействии видеоимпульсов субнаносекундной длительности.
- Методика испытаний транзисторов на воздействие серии субнаносекундных видеоимпульсов
Введение к работе
Актуальность работы. Диссертационная работа посвящена исследованию входных устройств сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, построенных на базе арсенид-галлиевых полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ), и возможностей улучшения реальных характеристик помехоустойчивости малошумящих усилителей (МШУ) при воздействии сверхкоротких видеоимпульсов (СКВ И).
В последнее время СКВИ приобретают все больший вес среди радиосигналов, способных негативно воздействовать на устройства. В связи с этим, возникает проблема обеспечения помехоустойчивости радиоэлектронных средств (РЭС) в присутствии импульсных помех сверхкороткой длительности. Подробное изучение физических процессов и эффектов, происходящих в устройствах при этом воздействии, а также разработка и введение новых параметров электромагнитной совместимости (ЭМС), которые должны отражать сущность воздействия СКВИ и позволять оценивать их влияние на РЭС, являются актуальными задачами современной радиоэлектроники.
Известно, что в число устройств СВЧ диапазона наиболее уязвимых по отношению к воздействию помех входят МШУ. При исследовании работы таких усилителей на электромагнитную совместимость, как правило, рассматриваются гармонические и модулированные помехи, при воздействии которых возникают эффекты, обусловленные нелинейностью, например блокирование, интермодуляция и т.д. Физические механизмы воздействия СКВИ на МШУ отличаются от тех, которые наблюдаются при воздействии гармонических помех, и требуют более глубокого изучения.
Действие импульсных помех, с длительностями равными или большими наносекунды, которые могут оказывать влияние на МШУ по входным цепям или цепям питания, определено соответствующими ГОСТами. Однако, для видеоимпульсов с субнаносекундной длительностью параметры ЭМС не определены. Данный факт свидетельствует о необходимости введения характеристик, которые могли бы служить критерием качества работы усилителей в условиях воздействия СКВИ. Таким образом, актуальной задачей является исследование работы МШУ в присутствии преднамеренных и непреднамеренных импульсных помех сверхкороткой длительности и определение характеристик ЭМС усилителя при этом воздействии.
В качестве активных элементов МШУ широко применяются малошумя-щие ПТШ, оказывающиеся чувствительными к воздействию СКВИ. Результатом воздействия является обратимая деградация транзистора, т.е. ухудшение
его функциональных параметров (ток стока, коэффициент усиления) с последующим их восстановлением до исходных значений. В работе исследуются эффекты обратимой деградации GaAs ПТШ, описаны разработанные методики и устройства для испытания и оценки качества функционирования полевых транзисторов и МШУ на их основе при воздействии СКВИ.
Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных задач определяет актуальность тематики данной диссертации.
Целью работы является:
Исследование на основе двумерной модели арсенид-галлиевого транзистора физических процессов, происходящих в полупроводниковой структуре ПТШ при импульсных электроперегрузках по входной цепи.
Разработка методик и устройств для исследования обратимой деградации GaAs ПТШ и помехоустойчивости МШУ на их основе к воздействию СКВИ.
Исследование зависимостей деградационных характеристик ПТШ от энергетических параметров СКВИ и параметров полупроводниковой структуры транзисторов.
Исследование электромагнитной совместимости МШУ микроволнового диапазона на основе GaAs ПТШ при воздействии последовательности СКВИ.
Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из её целей:
исследование процессов в GaAs ПТШ, связанных с электроперегрузками по входной цепи, с помощью компьютерного моделирования;
исследование влияния параметров полупроводниковых материалов транзистора на структуру объемного заряда на границе канал-подложка при импульсных электроперегрузках;
исследование влияния энергетических характеристик СКВИ и параметров полупроводниковой структуры транзистора на обратимую деградацию ПТШ;
разработка экспериментальной установки и методики измерения характеристик ЭМС МШУ на основе GaAs ПТШ при действии импульсных помех сверхкороткой длительности;
определение путей оптимизации МШУ микроволнового диапазона при воздействии последовательности СКВИ.
Методы проведения исследования. В работе использованы методы теории электрических цепей и сигналов, математического и компьютерного моделирования, физическое моделирование, численные методы расчета и анализа, математический аппарат дифференциальных уравнений и уравнений в частных
5 производных. Проведены экспериментальные исследования.
В качестве основных результатов, полученных в диссертации, можно выделить следующие:
влияние концентрации хрома в полуизолирующей подложке ПТШ на структуру объемного заряда на границе раздела канал-подложка и на деградацию функциональных параметров ПТШ в условиях импульсной электроперегрузки.
экспериментальное подтверждение влияния концентраций глубоких уровней, укладывающихся в допуски современной технологии производства на время восстановления ПТШ при воздействии СКВИ
методика измерения и расчета характеристик ЭМС МШУ при воздействии СКВИ. Введен параметр верхней границы динамического диапазона (ВГДД) по обратимой деградации, который позволяет оценить воздействие СКВИ на МШУ и определить место СКВИ в общей структуре помех.
разработан автоматизированный комплекс для измерения параметров МШУ на основе GaAs ПТШ, включая параметры ЭМС при воздействии последовательности СКВИ.
определены зависимости влияния частоты следования СКВИ и их амплитуды на коэффициент усиления МШУ.
Достоверность результатов диссертации определяется корректным применением математических методов, соответствием выводов известным фундаментальным теоретическим представлениям, соответствием результатов моделирования полученным экспериментальным данным.
Научная новизна.
1. Проведено моделирование работы транзистора во временной области, позволяющее рассматривать формирование объемного заряда при воздействии электроперегрузки.
2.Показано влияние концентрации хрома в полуизолирующей подложке ПТШ на структуру объемного заряда на границе раздела канал-подложка, параметры обратимой деградации и переходные процессы в условиях электроперегрузки. 3. Экспериментально доказано существование влияния концентраций глубоких уровней, укладывающихся в допуски современной технологии производства на время восстановления ПТШ при воздействии СКИ.
4.Разработана методика измерения характеристик ЭМС МШУ при воздействии СКИ. Введен параметр верхней границы динамического диапазона (ВГДД)
по обратимой деградации, который позволяет оценить воздействие СКИ на МШУ и определить место СКИ в общей структуре помех.
5.Разработан автоматизированный комплекс для измерения параметров МШУ на основе GaAs ПТШ, включая параметры ЭМС при воздействии последовательности СКИ.
6.Определены зависимости влияния частоты следования СКИ и их амплитуды на коэффициент усиления МШУ.
7. По казано различие воздействия гармонической помехи и последовательности СКИ на МШУ.
На защиту выносятся:
Зависимость обратимой деградации GaAs ПТШ при воздействии СКВИ от концентрации глубоких уровней в пределах допустимых значений современных технологий производства полуизолирующих подложек.
Характеристики ЭМС МШУ при воздействии импульсной помехи сверхкороткой длительности, определяющие качество работы усилителя, а также методика их расчета и измерения.
Автоматизированный комплекс для измерения параметров ЭМС МШУ на основе GaAs ПТШ при воздействии последовательности СКВИ.
Пути оптимизации режимов работы МШУ, с целью уменьшения влияния воздействия СКВИ.
Практическая ценность работы. Предложенная двумерная модель ПТШ, учитывающая динамику захвата носителей на глубокие уровни в полуизолирующей подложке, позволяет прогнозировать уязвимость транзисторов к воздействию СКВИ. Исследованы зависимости обратимой деградации GaAs полевых транзисторов от энергетических характеристик СКВИ, амплитуды, параметров полупроводниковой структуры ПТШ. Экспериментальные и теоретические исследования позволяют выработать рекомендации по отбору GaAs ПТШ, функционирующих в условии действия импульсных электроперегрузок. Разработаны методика измерения и расчета ЭМС МШУ при воздействии СКВИ, а также измерительный комплекс для ее реализации. Введен параметр ЭМС, с помощью которого можно оценивать качество работы МШУ при воздействии последовательности СКВИ. Выработаны рекомендации по оптимизации работы МШУ на основе GaAs ПТШ при импульсных помехах.
Внедрение научных результатов. Результаты диссертации использованы в научно-исследовательских работах, выполнявшихся на кафедре элек-
7 троники ВГУ, а так же в учебном процессе.
Личный вклад определяется проведением теоретических и экспериментальных исследований, а так же анализом полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на: XII, XIII, XIV, XV Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь», в г. Воронеж в 2006, 2007, 2008 и 2009 г.; 7, 8 Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, в г. Санкт-Петербург в 2007 и 2009 г.; 10-й Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности: ЭМС-2008 в г. Санкт-Петербург в 2008 г.; V, VII Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» в г. Казань и г. Самара в 2007 и 2008г.; 62, 63 Научных сессиях РНТОРЭС им. Попова, посвященных Дню радио, в г.Москва в 2007 и 2007 г.; 9-й Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» в г. Казань в 2008 г.; 18-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» в г. Севастополь в 2008 г.; 20th International Zurich Symposium "Electromagnetic Compatibility 2009", Zurich, 2009; Научных сессиях Воронежского государственного университета в г. Воронеж, в 2006, 2007, 2008 и 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, четыре из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ. Работы [1,2] опубликованы в журнале, который входил в указанный перечень ВАК РФ до конца 2006 года.
Объем и структура диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 145 наименований. Объём диссертации составляет 171 страницу, включая 66 иллюстраций.
Модель GaAs ПТШ для исследования образования объёмного заряда в полуизолирующей подложке
Среди элементов РЭА СВЧ диапазона, расположенных в радиоприемном тракте, МШУ является одним из наиболее уязвимых к действию помех устройств [25, 26]. Поскольку с целью повышения чувствительности приемника такие устройства часто располагают сразу после приемной антенны, обеспечение ЭМС усилителей является актуальной задачей.
Воздействие СКИ на МШУ чаще всего приводит к обратимым отказам [25, 26], которые выражаются во временной деградации усилителя. В работе [57], в качестве критериальных параметров обратимой деградации, предложено использовать энергетические характеристики СКИ (энергию, амплитуду) и коэффициент обратимой деградации МШУ, который характеризует конкретное устройство. Данные характеристики необходимы для анализа ЭМС МШУ в условиях преднамеренных и непреднамеренных импульсных помех.
Существующие на сегодняшний день ГОСТы [27-30] в основном определяют параметры качества работы устройств, в частности МШУ, для гармонических помех, при воздействии которых возникают такие нелинейные эффекты как блокирование, интермодуляция, перекрестные искажения и т.д. [9]. Для импульсных воздействий, в рамках ГОСТ, рассматривается действие электроперегрузок вплоть до наносекундной длительности [58-61], которые могут быть связаны с воздействием молний, коротких замыканий, внешних электромагнитных воздействий [62]. Электроперегрузки меньшей длительности в ГОСТ не оцениваются, несмотря на то, что они могут вызывать существенную деградацию параметров устройств с длительным последействием [57].
В качестве активных элементов МШУ, широко используются GaAs ПТШ. Известны работы по исследованию воздействий на ПТШ ионизирующего излучения [63], рентгеновского излучения [64], оптического излучения [65], обратного управления со стороны подложки (backgating) [66, 67] и электроперегрузок на выводах транзистора [25, 26]. Также в работах [26, 68] проводилось исследование длительных временных зависимостей тока стока и основных высокочастотных параметров, таких как коэффициент шума и коэффициент усиления, наблюдаемых при воздействии электроперегрузок, которые являются наиболее распространенной причиной отказов ПТШ. Однако малое количество публикаций, описывающих обратимую деградацию GaAs ПТШ и устройств на их основе при импульсных воздействиях сверхкороткой длительности, свидетельствует о незавершенности исследований.
В обзорных работах [25, 26] рассматривались электроперегрузки, действующие на различные элементы РЭА в виде радиоимпульсов с СВЧ заполнением, и деградация параметров устройств при этом. Отмечается, что при воздействии электроперегрузок на GaAs ПТШ происходит перераспределение и накопление избыточного объемного заряда на глубоких уровнях, образованных примесями и дефектами кристаллической решетки и локализованных в различных областях транзистора [25, 26, 33-35, 57]. В частности, уделяется внимание двум областям полупроводниковой структуры: обедненной области под затвором и полуизолирующей подложке. При воздействии СВЧ импульсов модулированная избыточным объемным зарядом активная область сужается, меняя проводимость канала, а, следовательно, и функциональные характеристики ПТШ. Процессы, происходящие в подложке, более выражены и определяют основные характеристики деградации транзистора, поскольку глубокие уровни имеют большую концентрацию и обладают большей постоянной времени релаксации [57]. Кроме того, избыточный объемный заряд на глубоких уровнях в подложке способен оказывать воздействие по всей длине канала, в отличие от обедненной области под затвором. Процессы, происходящие при этом, имеют схожую с эффектом обратного управления природу [66, 67].
Воздействию СКИ на GaAs ПТШ посвящены работы [33-35], в которых показывается, что механизмы действия видео- и радиоимпульсов имеют качественно схожий характер. Однако должным образом не исследуются физические процессы, происходящие в ПТШ при воздействии СКИ, а также не рассматриваются зависимости параметров деградации от различных факторов, таких как энергетические параметры импульсов, характеристики полупроводниковой структуры транзисторов и пр.
В первой главе диссертационной работы предложена двумерная модель GaAs ПТШ для исследования воздействия электроперегрузок на затвор транзистора, сформированная в системе автоматизированного проектирования (САПР) APSYS и учитывающая влияние глубоких уровней в полуизолирующей подложке при воздействии импульсных электроперегрузок. Для подложки использована четырехуровневая компенсационная модель, часто применяющаяся при подобных исследованиях. Кинетика тепловых процессов захвата-возбуждения носителей для глубоких уровней в симуляторе APSYS описывается в рамках рекомбинационной статистики Шокли-Рида-Холла (ШРХ).
Подробно рассмотрена структура объемного заряда, образованного на границе канал-подложка в равновесном случае, при отсутствии внешних полей. Произведен анализ вклада каждого из двух глубоких уровней в процессы генерации и рекомбинации неравновесных носителей заряда. Показано, что различие концентраций хрома в полуизолирующей подложке ПТШ существенно влияет на структуру объемного заряда на границе раздела канал-подложка, а, следовательно, и на параметры обратимой деградации в случае электроперегрузки по входной цепи транзистора.
Воздействие серии СКИ отрицательной полярности на затвор ПТШ
При моделировании процессов в ПТШ, возникающих при действии последовательности СКИ, возникают проблемы со сходимостью и точностью решения, со временем расчетов, которое может достигать нескольких десятков часов при использовании современных ЭВМ. Время переднего и заднего фронта СКИ всего на порядок превышает время перераспределения носителей заряда в локальной области полупроводниковой структуры. В силу этого, сложность интегрирования ФСУ возрастает, и необходимо повышать точность решения, проигрывая во времени расчета. Кроме того, несмотря на большую скважность импульсов в последовательности, процессы в полупроводниковой структуре, благодаря влиянию глубоких уровней, не успевают установиться полностью. Это вызывает трудности в выборе начальных условий для следующей итерации алгоритма САПР, поскольку они становятся нестационарными. Поэтому в современных САПР расчет воздействия последовательности СКИ на ПТШ вызывает большие трудности.
Эффекты обратимых отказов ПТШ при воздействии СКИ связаны с деформацией области объемного заряда на границе раздела канал-подложка. При этом, последовательность СКИ вследствие кумулятивного эффекта [57, 131, 140] может оказывать такое же влияние на транзистор, что и воздействие перегрузки в виде постоянного напряжения с временем воздействия, равным длительности импульсной серии. Для исследования переходных процессов, вызванных импульсными перегрузками различного вида, может быть использована модель перегрузки постоянным напряжением. Опишем переходные процессы происходящие под действием длинного
Структура объемного заряда до (А) и в момент окончания (Б) электроперегрузки. отрицательного прямоугольного импульса напряжения 7 В в цепи затвор-исток. Длительность импульса составляет 5 с, что соответствует времени, за которое в основном завершились процессы перезарядки глубоких уровней. Это означает, что деградация параметров транзистора практически достигла значений, максимальных при данном напряжении перегрузки. На сток транзистора при этом подается напряжение 2 В.
На рисунке 1.9 представлены распределения электрического потенциала в структуре ПТШ при перегрузке (Uи = 0 В, Uз = -7 В, Uс = 2 В) и в нормальном рабочем режиме (Uи = Uз = 0 В, Uс = 2 В). Электрическое поле во время перегрузки проникает глубоко в подложку, поскольку действует в состоянии отсечки транзистора, когда канал полностью перекрыт. В областях, где поле изменяется во время перегрузки, происходит перераспределение подвижных зарядов и соответствующая перезарядка глубоких уровней. После снятия напряжения транзистор переходит в нормальный режим работы. Однако область объемного заряда на границе канал-подложка будет деформирована по сравнению с исходным состоянием вследствие изменения величины заряда, накопленного на глубоких уровнях подложки. Объемный заряд в сечении по центру затвора, перпендикулярном поверхности контакта, до и после перегрузки представлен на рисунке 1.10. Номера кривых соответствуют номерам материалов подложки в таблице 1.1. Как видно из рисунков 1.10 А и Б, происходит изменение формы объемного заряда, что приводит к изменению толщины активной области канала, и, как следствие, тока стока. Далее ток стока восстанавливается до исходных значений, которые были до перегрузки, по мере того как восстанавливается первоначальная форма объемного заряда. Необходимо обратить внимание на тот факт, что концентрации свободных носителей в полуизолирующей подложке пренебрежимо малы по сравнению с концентрацией глубоких уровней, а мелкие доноры подложки полностью ионизированы и их заряд не меняется во время перегрузки.
Таким образом, перегрузка может повлиять на объемный заряд подложки только за счет перезарядки глубоких уровней. Распределение доли ионизированных глубоких уровней в равновесном переходе показано на рисунке 1.7. Видно, что в области объемного заряда уровни хрома полностью ионизированы, а уровни EL2 – полностью нейтральны. Изменения во время перегрузки в этой области могут произойти только за счет ионизации EL2 и нейтрализации Cr. В силу того, что уровни хрома удерживают заряд отрицательного знака, изменения могут произойти только при уменьшении плотности отрицательного заряда. В глубине подложки, где доля ионизированных уровней Cr снижается, а доля ионизированных уровней EL2 повышается относительно области перехода, при воздействии поля, происходит процесс зарядки уровней Cr, что приводит к перераспределению объемного заряда. На рисунках 1.11, 1.12 для всех материалов подложки, учитываемых в модели, показан процесс зарядки глубоких уровней хрома и разрядки уровней EL2 в подложке во время перегрузки. Графики представлены в сечении, которое проведено по центру затвора и перпендикулярно его поверхности. Минимумы на графиках для EL2 образуются за счет подачи смещения на сток транзистора. При этом происходит перераспределение носителей, что и приводит к уменьшению концентрации ионизированных доноров. Следует отметить, что для равновесного случая таких минимумов не наблюдалось (рис. 1.8). Однако кривые на рисунках 1.11, 1.12 иллюстрируют общую тенденцию к изменению степени ионизации глубоких уровней вследствие перегрузки.
Для материала № 1 толщина равновесной области объемного заряда велика, и объемный заряд, образующийся за пределами этой области в глубине подложки в условиях малой концентрации глубоких центров Cr, оказывает слабое влияние на толщину активного слоя. Для сильно перекомпенсированных материалов подложки №№ 2-4 концентрация примеси хрома значительно превосходит концентрацию центров EL2, ролью которых в образовании объемного заряда можно пренебречь.
Экспериментальное исследование работы МШУ при воздействии видеоимпульсов субнаносекундной длительности.
Как показывают проведенные исследования, для разных моделей ПТШ процесс установления данного равновесного состояния различен, как и количество необходимых для этого импульсов. Этот процесс зависит не только от модели ПТШ, но и определяется энергетическими параметрами СКИ.
Длительность воздействия серии импульсов может оказывать влияние на деградационные процессы в ПТШ. С увеличением длительности воздействия повышается вероятность возникновения лавинного пробоя ПТШ в случае, когда сумма амплитуды импульса и напряжения смещения на затворе приближается к напряжению пробоя в какой-либо локальной области полупроводниковой структуры. При развитии кумулятивного эффекта, если равновесное состояние ещё не наступило, на количество ионизированных ловушек, а, следовательно, и на процесс восстановления, влияет длительность воздействия серии СКИ.
После действия серии СКИ наблюдается процесс восстановления характеристик ПТШ. После прекращения воздействия серии ток стока начинает восстанавливаться до исходного значения. Для воздействия серии СКИ характер восстановления аналогичен характеру восстановления при воздействии на транзистор одиночного импульса. Различие состоит в том, что начало восстановления происходит с меньших значений, т.е. значение I1 меньше для воздействия серии СКИ. Это можно объяснить кумулятивным эффектом. Для разных моделей транзисторов время восстановления при воздействии серии СКИ может составлять от миллисекунд до часов. Этот факт может объясняться большей степенью ионизации глубоких уровней по сравнению с воздействием одиночного импульса.
Показаны два основных типа восстановления тока стока до равновесного состояния, характерных для разных моделей транзисторов (рис. 2.7, 2.8). Процесс первого типа заключается в плавном изменении тока стока до исходного значения (рис. 2.7). Второй тип характеризуется резким увеличением тока стока до значения выше исходного и его последующим восстановлением (рис. 2.8). Типы восстановления в моделировании, описанном в первой главе, и в эксперименте имеют схожий характер.
При воздействии одиночных импульсов на ПТШ не было выявлено необратимых отказов, в отличие от воздействия серии СКИ. Необратимые отказы наступали в том случае, если определенное количество импульсов в последовательности превышали по амплитуде некоторое пороговое значение. Необратимые отказы носили случайный характер, что, по всей видимости, связано с возникновением лавинного и развитием теплового пробоя в полупроводниковой структуре ПТШ. Отказы необратимого типа наступали чаще при уменьшении периода следования импульсов в серии, увеличением их амплитуды и количества. Для разных моделей транзистора пороговое значение амплитуды импульсов, необходимое для выхода транзистора из строя, менялось. Так, для транзисторов АП343А-2 и АП344А-2, изготовленных на одной и той же партии подложки, но имеющих различные конструктивные параметры (рис. 2.10, табл. 2.1), пороговое значение амплитуды было различно. Для транзистора АП343А-2, для которого при прочих равных параметрах расстояние между контактами меньше, а длина затвора больше, значение амплитуды СКИ, при которой наблюдался необратимый отказ, было меньше. Все параметры полупроводниковых структур транзисторов были измерены на заводе, где они были произведены.
Существует несколько технологий создания ПТШ, при этом в качестве исходного материала используют полуизолирующий арсенид галлия. Полуизолирующие свойства GaAs обеспечиваются компенсацией мелких фоновых примесей в соответствии с четырехуровневой схемой компенсации [105-109]. Согласно этой схеме, в материале присутствуют мелкие донорные Іс, мА 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 6
Зависимость тока стока транзистора АП343А-2 от времени при воздействии серии СКИ. и акцепторные уровни, глубокими донорными уровнями являются структурные дефекты замещения галлия мышьяком (EL2) [107-109], за глубокие акцепторные уровни в запрещенной зоне арсенида галлия ответственен хром, вводимый в арсенид галлия на этапе выращивания кристалла. Структурные дефекты EL2 мало поддаются контролю в процессе роста, поэтому концентрацию хрома варьируют для того, чтобы условия компенсации выполнялись [105, 106]. Так, с одной стороны, концентрация хрома не должна быть слишком велика, чтобы не вызывать существенного спада подвижности носителей заряда. С другой стороны, недостаточная или точная компенсация мелких примесей приводит к конверсии полуизолятора в проводящий материал при температурном воздействии (например, при постимплантационном отжиге). На практике оптимальный уровень перекомпенсации мелких фоновых примесей хромом определяется экспериментально и обычно составляет около 25% [106]. Под перекомпенсацией понимается избыток концентрации хрома относительно значения, рассчитанного по четырехуровневой схеме компенсации.
В силу несовершенства производства полуизолирующих подложек, количество примесей и дефектов можно ограничить лишь в определенных рамках технологическим допуском. Основным параметром, который служит критерием оценки полуизолирующих свойств подложки, является проводимость. При этом концентрация мелких примесей, Cr и EL2 также может меняться в пределах нескольких процентов [106, 109], что может оказывать влияние на параметры обратимой деградации ПТШ при воздействии СКИ.
Экспериментальное исследование проводилось на разных партиях транзисторов АП343А-2 и АП344А-2. Образцы транзисторов были любезно предоставлены предприятием ЗАО “НПП “Планета-Аргалл”. Изготовлено было по две партии транзисторов данных моделей. Номер партии соответствовал номеру слитка полуизолирующего материала подложки, на которой транзисторы были сформированы. Это позволило проводить анализ воздействия СКИ на ПТШ в зависимости от характеристик полуизолирующей подложки, а также учитывать конструктивные параметры полупроводниковой структуры при практически тех же характеристиках подложки из одного слитка. Основные параметры транзисторных структур приведены на рисунке 2.9 и в таблице 2.1. В качестве оценочного параметра использовался ток стока транзистора.
Рассмотрим воздействие одиночного СКИ на примере 3П344А-2. На рисунке 2.10 представлены зависимости нормированных значений тока стока от времени при воздействии одного импульса для разных партий транзисторов. Для транзистора из первой партии зависимость представлена сплошной линией, для второй партии – пунктирной. Исследование проводилось в одном и том же режиме работы ПТШ. Видно, что процесс восстановления для первой партии транзисторов начинается с меньших значений тока стока, а время восстановления после импульса больше. Представленные на графике кривые свидетельствуют о сильной зависимости от характеристик полуизолирующего материала подложки. Исследования, описанные в первой главе, позволяют говорить, что это может быть связано с большей концентрацией хрома в первой подложке. При этом область неионизированных уровней хрома в подложке вблизи границы с каналом располагается ближе к каналу транзистора, и воздействующий импульс заряжает большее количество глубоких уровней. Область объемного заряда в канале при воздействии импульса расширяется сильнее. При этом эффективная толщина активной области и проводимость канала уменьшаются, что соответствует и уменьшению значения тока стока после воздействия импульса.
Методика испытаний транзисторов на воздействие серии субнаносекундных видеоимпульсов
Каждый импульс в серии приводит к уменьшению коэффициента усиления до нулевого значения на время действия импульса (порядка сотней пикосекунд). После подачи СКИ коэффициент усиления восстанавливается до некоторого значения KУ_МИН, которое зависит от частоты следования импульсов и их амплитуды в серии. Зависимость от амплитуды определяется характеристиками глубоких уровней, как и закон восстановления параметров транзистора. Однако частота будет определять момент времени, в который транзистор вновь будет подвержен воздействию следующего импульса. Таким образом, значение KУ_МИН и, следовательно, KУ_ОД будет зависеть как от амплитуды, так и от частоты следования СКИ.
В ходе исследования была построена зависимость амплитуды импульсов Аимп в серии от частоты их следования fимп, при которых коэффи 112 циент усиления уменьшается на 1 дБ, представленная на рисунке 3.10. Зависимость дает представление о соотношении амплитуды и частоты СКИ в серии, необходимых для возникновения обратимой деградации ПТШ в определенном режиме работы. Критериальным параметром действия серии импульсов при этом будет также служить ВГДД по обратимой деградации. Вклад частоты следования, при значениях более 10кГц, в мощность воздействия, необходимую для наступления обратимой деградации, минимален. Это означает, что при таких частотах следования ВГДД по обратимой деградации практически полностью определяется амплитудой импульсов.
Таким образом, для определения ЭМС МШУ и оптимизации его работы в условиях действия серии СКИ наряду с параметром DОБ необходимо пользоваться зависимостью амплитуды от частоты, при которых выполняется условие аналогичное условию для ВГДД по обратимой деградации.
С точки зрения ЭМС интерес представляет сравнение действия на усилитель гармонической помехи и серии импульсов сверхкороткой длительности. В ходе экспериментальных исследований такое сравнение было проведено. Объектом исследования являлся усилитель на основе ПТШ 3П362А-9, рассмотренный в предыдущем параграфе.
При подаче СКИ на вход усилителя сравнительно небольшой мощности, меньшей, чем ВГДД по обратимой деградации, в спектре выходного сигнала присутствуют гармоники, мощность которых на 25-30 дБ меньше мощности полезного сигнала (рис. 3.11). При этом подавление полезного сигнала на выходе МШУ является допустимым для нормальной работы принимающего устройства в целом. В реальном канале приемника наличие гармоник, связанных с тем, что часть спектра СКИ на входе усилителя проникает на выход, не может существенно сказаться на работе, и расцениваются приемником как радиошумы. Соотношение сигнал/шум для реальных условий работы меняется на 5-6 дБ. Если мощность серии равна или превышает ВГДД по обратимой деградации, то кроме составляющих спектра импульсов на выходе МШУ падает мощность усиленного полезного сигнала. Соотношение сигнал/шум в этом случае может принять недопустимое значение для нормальной работы приемного устройства.
При воздействии гармонической помехи могут возникать эффекты, связанные с нелинейностью активного элемента усилителя. Если мощность помехи меньше ВГДД по блокированию (DБЛ), в выходном спектре усилителя возникают гармоники, связанные с интермодуляционными продуктами различных порядков. Но значительного уменьшения уровня полезного сигнала на выходе не происходит. Если же мощность помехи больше DБЛ, и усиление сигнала существенно падает, то условия приема, как правило это соотношение сигнал/шум, могут быть не выполнены.
Необходимо отметить, что эффект блокирования и обратимая деградация вследствие воздействия серии СКИ имеют различную природу. С точки зрения работы приемного устройства, однако, описанные эффекты оказывают схожее действие на усилитель. Если мощности помехи не достаточно для нарушения работы приемного устройства, то действие заключается в появлении паразитных составляющих в спектре выходного сигнала. Мощность и частоты паразитных составляющих при действии импульсной помехи определяются в основном полосой пропускания МШУ, в то время как при гармонической помехе частотой полезного сигнала и характеристикой нелинейности активного элемента. При большей мощности, когда условия для выполнения уверенного приема нарушаются, эффекты проявляются в уменьшении коэффициента усиления. Сравнение действия обоих видов помех имеет смысл проводить по эффекту блокирования.
Алгоритм измерения коэффициента блокирования заключается в следующем. На первом этапе снимаются зависимости коэффициента усиления от частоты и напряжения смещения на затворе ПТШ. Далее на вход МШУ подается полезный сигнал. Его мощность на входе МШУ фиксируется с помощью амплитудного детектора. Затем выход усилителя подключается к входу анализатора спектра, который показывает определенную мощность усиленного полезного сигнала. Затем на входе анализатора спектра устанавливается определенное ослабление с помощью аттенюатора. Мощность полезного сигнала при этом фиксируется по показаниям прибора. Затем аттенюатор с входа анализатора спектра снимается и включается генератор СВЧ, который отвечает за помеху. Далее мощность помехи увеличивается до тех пор, пока мощность полезного сигнала не упадет до зафиксированного значения при ослаблении. Затем мощность помехи фиксируется с помощью амплитудного детектора. Далее на вход анализатора спектра ставиться следующий аттенюатор, и все операции повторяются. После измерений со всем набором аттенюаторов меняется режим работы транзистора по затвору, и все предыдущие шаги алгоритма кроме первого повторяются. Таким образом, в ходе эксперимента записывается набор значений мощности помехи, при которой мощность усиленного полезного сигнала подает на определенную величину. Затем рассчитывается коэффициент усиления по мощности как отношение измеренных значений мощности выходного полезного сигнала к мощности входного. На выход генератора полезного сигнала во время проведения всего эксперимента устанавливается аттенюатор, для устранения влияния помехи на СВЧ генератор.
В эксперименте, схема которого представлена на рисунке 3.12 использовались два генератора СВЧ С4-78 и С4-79. Соответственно, первый служил для формирования полезного сигнала на частоте 1650 МГц и мощностью 1 мкВт. Такие же параметры были использованы в эксперименте с последовательностью СКИ.
