Введение к работе
Актуальность работы. Настоящая работа посвящена вопросам реализации быстродействующих элементов защитных устройств (ЗУ) используемых дпя защиты входных цепей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) ВЧ-СВЧ диапазона от воздействия электромагнитных импульсов (ЭМИ).
Анализ показывает, что в настоящее время наибольшие трудности возникают при^воздействии на РЭА ЭМИ повышенного уровня мощности с фронтами * ІСГ9 с. Необходимость обеспечения высокого быстродействия ЗУ требует поиска для их реализации элементов, принцип действия которых основан на быстропротекамцих физических процессах. К таким процессам следует отнести: переключение сверхпроводника из сверхпроводящего"(s) в нормалыюпроводящее (n) состояние (s-n переключение), лавинный пробой монокристаллического кремния и пробой поликристаллического Zno. Явление сверхпроводимости в радиочастотном диапазоне и на СВЧ наряду с резким снижением потерь открывает возможность реализации ЗУ, принцип действия которых основан на резком увеличении активной части поверхностного импеданса сверхпроводника при s-n переключении. На этом принципе могут быт о реализованы широкополосные и частотно-селективные ограничители ВЧ-СВЧ мо-щнооти. Диелвктричоокио овойотва монокриоталличеоких полупроводников при глубоком охлаждении и возможность управления их объемной проводимостью с помощью--электрического поля, а также резко выраженная нелинейность поликристаллической керамики zno и чрезвычайно малое время переключения zno варистора при воздействии ЭМИ также перспективны для реализации элементов защитных .устройств.
Практическая реализация защитных устройств на основе сверхпроводниковых пленок и охлаждаемых моно- и поликристаллических полупроводников, оценка их параметров и предельных возможностей связаны о решением ряда научных проблем.
-
Исследование явления ударной ионизации в объемных образцах монокристаллического кремния при т < 20 К и зависимости временных характеристик развития лавинного пробоя от величини электрического поля и типа концентрации примесей.
-
Экспериментальное исследование высокочастотных свойств zno
варисторных структур и их переключающих свойств при импульсном воздействии с целью определения перспективности построения на их основе защитных элементов ВЧ-СВЧ диапазона.
Использование варисторных структур в качестве элементов защиты входных цепей ВЧ и СВЧ диапазона накладывает требование минимизации емкости структуры. В связи с этим важным моментом является уменьшение площади традиционных варисторов и/или переход к пленарным структурам. Параметры таких структур, в том числе частотная зависимость емкости и потерь в ВЧ-СВЧ диапазоне, исследованы недостаточно. В особенности это относится к свойствам варисторных структур при криогенных температурах.
-
Анализ широкополосных и резонансных структур различного диапазона частот, содержащих, сверхпроводниковие пленки при их переключении из сверхпроводящего (s). в нормальнопроводящее (ы) состояние и анализ температурного режима пленки высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) при импульсном воздействии, дающий оценки пороговой энергии, рассеиваемой в ВТСП пленке. В настоящее время импульсные свойства ВТСП пленок при высоком' уровне ЭМИ изучены сравнительно мало.
-
Разработка и исследование элементов защиты СВЧ входных цепей РЭА от ЭМИ на основе сверхпроводаиковых пленок (выполняющих роль ограничителя амплитуды импульса), монокристалличёского крем-'ния и поликристаллического zno (выполняющих роль твердотельного разрядника).
Следует также учесть, что для реализации защитных устройств необходимо знание пороговых уровней поврегдения.полупроводниковых элементов входных цепей РЭА.
Целью работы являлось исследование в статическом и импульсном режимах сверхпроводниковых и полупроводниковых охлаждаемых элементов защитных устройств, а, также изучение их 'высокочастотных свойств для реализации на их основе быстродействующих' устройств защиты от ЭМИ входных цепей РЭА ВЧ-СВЧ диапазона.
Научная новизна работы заключается в следующем: - проведены комплексные исследования свойств однородно легированного технического кремния различных марок в статическом и да-
намическом режимах при криогенных температурах как при наличии, так и в отсутствии постоянных магнитных полей; получены временные характеристики развития низкотемпературного примесного пробоя в объеме однородно легированного si;
впервые в практике создания СВЧ устройств реализованы ограничители сантиметрового диапазона (300 МГц, 10 ГГц) на основе по-гакристаллического zno, по своим параметрам не уступающие аналогичным устройствам на традиционных полупроводниковых элементах и превосходящих их по быстродействию;
на основе пленок YBa2cujov_x впервые реализован не имеющий аналогов ни в России, ни за рубежом, быстродействующий фильтр-ограничитель нижних частот;
на основе сверхпроводниковых пленок NbN на si подложке реализован широкополосный (20 ГГц) интегральный защитный элемент сочетающий свойства ограничителя (пленка ньм) и твердотельного разрядника (si подложка).
Практическую ценность работы представляют:
- экспериментальные значения статических и динамических нап-
рЯЖеННОСТеЙ ' ЭЛеКТрИЧеСКОГО ПОЛЯ ПрОбОЯ В МОНОКрИСТаЛЛИЧеСКОМ' Si
различных марок, а также данные исследований времени задержки низкотемпературного лавинного пробоя в si, позволяющие реализовать последовательность защитных элементов с разньл порогом срабатывания;
- данные исследований по влиянию охлаждения варисторных zno-
структур до температур азотного уровня на их высокочастотные свой
ства, позволяющие, кроме расширения частотного диапазона их приме
нения, использование их(Совместно с защитными элементами выполнен
ными на основе ВТСП;
- расчетные данные по предельной энергии ЭММ рассеиваемся ВТСП пленками на мдо-подлокке;
- реализованные макеты СВЧ защитных элементов на основе свер-
хпроводниковнх пленок и охлаждаемых моно- и полик]);іс'іг».л«ичвсюа
полупроводников и рекомендации конструкторско-тохнг.лппч-к-кот ха
рактера, выработанные в результате их испытаний;
- разработанная методика исследования стойка::-.; .-.'ч.л.роыд-никовых приборов к воздействию ЭМИ, позполящня спреи,'; г.ть нпрого-
вые значения напряжений и энергий- ЭМИ вызывающие повреждение элементов РЭА, и позволяющая выявить наименее стойкие места полупроводниковых приборов.
Научные полонення, выносимые на защиту:
I. На основе монокристаллического si (р = (0,3 + 200) Ом-см)
при гелиевом уровне температур возможна реализация твердотельных
защитных устройств с временем срабатывания ~ Ю-6' с для защиты
входных цепей высокочастотной РЭА (включая СВЧ диапазон).
-
Использование пленарных zno варисторов с собственной емко-, стью с * 0,2 пФ позволяет реализовать быстродействующие элементы защиты с временем срабатывания 0,1 не и вносимым затуханием в режиме "открыто" l < і дБ в диапазоне частот вплоть до г * 10 ГГц.
-
На основе сверхпроводниковых пленок возможна реализация ВЧ-СВЧ элемента защиты включаемого последовательно с защищаемой нагрузкой, характеризующегося низким порогом срабатывания по току і - (5 + 50) мА, временем срабатывания < 0,1 си вносимым затуханием в режиме защиты l * 30 дБ.
Апробация работа. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуадались на:
8th International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Wroclaw, Poland. 1988.
7th European Conference on Electrotechnics, Paris. 1685.
- lSth Irto-rnatiorial Conference on Lightning Protection,
Gratz. Austria. 1888. .
lO International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Wroclaw, Poland, 1090.
I Seminar!urn nt. "Przepiecia w urzadzeniach elektrycznych і plelctronleznych". Blalystok, Poland, . 1090.
II Seminarіum nt. "Przepiecia w urzadzeniach elektrycznych 1 elektronicznych", Bialystok, Poland, 1931.
1892 International Conference on Electromagnetic Compatibility. Beijing. China, 1Є92.
Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в'двенадцати печатных трудах, опубликованных в научных куриалах и тези-
- б -
сах докладов на конференциях.
Структура и объеи работы. Диссертация состоит из введения, трех глав с выводами, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 148 наименований и двух приложений. Основная часть работы изложена на 96 страницах машинописного текста. Работа содержит 84 рисунка, 10 таблиц.
