Введение к работе
Актуальность темы. Безотказность работы СВЧ-приемников в условиях воздействия на них интенсивных электромагнитных помех в значительной степени определяется стойкостью маломощных полупроводниковых приборов (ПП),'используемых во входных приемных устройствах -- усилителях,, смесителях, детекторах. Проблема их отказов, вызванных выгоранием - деградациошшм изменением характеристик ПП при электрической перегрузке, возникла в связи с невозможностью полной защиты первых точечных диодов от воздействия СВЧ-импульсов (СВЧИ), излучаемых передатчиком собственной или посторонней радиосистемы. В дальнейшем отказы ПП этого класса интенсивно изучались для режимов воздействий электромагнитным импульсом (ЭМИ) естественного или искусственного происхождения (гроза, высоковольтные установки, ядерный взрыв). В случае проникновения ЭМИ во входной СВЧ-тракт прошедшая его часть образует СВЧМ. Исследование отказов маломощных ПП продолжается по следующим причинам.
I) Разрабатываются более совершенные типы приборов, причем предъявляемые к ним требования высокого быстродействия вступают в противоречие с требованием стойкости к электрической перегрузке.
2 усложняется помеховая обстановка в СВЧ-диапазоне, изготавливаются новые источники мощных дШ и СВЧИ. В результате расширяются диапазоны длительностей и частот возможных интенсивных электромагнитных воздействий, опасных для ПП входных СВЧ-каскадов.
Эти обстоятельства заставляют искать также методы оценки стойкости подобных приборов к воздействию широкого спектра электромагнитных помех на стадиях их разработки и применения. Однако достаточно универсальные и точные метода оценки до настоящего времени не были получены. Обычно для оценки стойкости к воздействиям СВЧМ и ЭМИ пытались найти эквивалентные им по своему результату воздействия тестовыми прямоугольными видеоимпульсами' (ВИ). В то же время, полностью условия такой эквивалентности при различных параметрах воздействий и схемах включения ПП не были известны. На наш взгляд, этому препятствовала недостаточная изученность механизмов отказов, что приводило и к множественности использувмнх характеристик стойкости. Были разработаны весьма приближенные линейные модели, позволяющие оцениввть с точностью до порядка пороговую мощность (энергию) воздействий, превышение которой приводит к выгоранию,- так называемую мощность (энергию) выгорания. Большая погрешность возникает в
первую очередь из-за неполного учета влияния нелинейных зависимостей электрических и тепловых параметров от температуры. Такие модели не предсказывают поэтому и режимы возникновения элвктротешга-вых неустойчивостей, которые также могут влиять на величину мощности выгорания. Нелинейные модели были разработаны для расчета таких режимов в стационарном тепловом состоянии, когда длительность импульса воздействия t»i:t (1+- время тепловой релаксации ПП), и для приборов, отличащихря по конструкции-и характеристикам от маломощных СВЧ-диодов и транзисторов. В то ке время, эксперименты показывают, что при достаточно коротких и интенсивных воздействиях происходит локальное повреждение барьера Ш, а при длительных (им соответствуют меньшие мощности выгорания) - повреждение значительной части площади барьера. Причины этих различий неизвестны. Представляется, что прояснить ситуацию может анализ условий неоднородного протекания тока через барьер и его нагрева. Кроме длительности воздействий существенное влияние на условия неоднородности нагрева может оказать полярность тока, протекающего через барьер. В настоящее время установлено, что механизмы выгорания при воздействии ВИ прямой и обратной полярности на барьер ПП различны. Однако о том, как влияет на условия СВЧИ-выгорания протекание значительного обратного тока при больших напряжениях автосмащения, почти ничего не известно. На механизм выгорания большое влияние может оказать и схема включения прибора, определяющая различные виды обратных связей, но этот вопрос в литературе о выгорании не рассматривался.
Практически не изучены временные (обратимые) изменения СВЧ-, вольтамперных и шумовых характеристик маломощных СВЧ ІШ после электромагнитных воздействий. Неизвестно, в каких случаях они могут приводить к временным отказам (на время t»t), определяя уровень стойкости приборов и приемных устройств СВЧ.
Таким образом, недостаточная изученность отказов маломощных СВЧ ПП, отсутствие точных расчетных моделей, незнание полных условий эквивалентности разных воздействий, а также наиболее универсальной характеристики стойкости всех ПП данного класса одновременно к воздействиям СВЧИ, ЭМИ и ВИ (как имитации СВЧИ и ЭМИ) не позволяли разработать более точные и универсальные методы оценки стойкости.
Цель настоящей работы - построение моделей выгорания маломощных СВЧ-диодов и транзисторов и разработка на их основе методов оценки стойкости к воздействиям ЭМИ и СВЧИ.
Задачи работы ^
-
Провести теоретический анализ поглощения приборами энергии ЗШ, СВЧИ и ВИ и условий возникновения электротепловых неустойчивос-тей для разных длительностей и схем подачи энергии этих воздействий.
-
Экспериментально исследовать обратимые и необратимые изменения характеристик маломощных СВЧ ПП и определить режимы их отказов после воздействий СВЧИ, ЭМИ и ВИ.
-
Найти условия эквивалентности воздействий (с точки зрения отказа ПП), определить наиболее универсальную характеристику стойкости приборов рассматриваемого класса и на этой основе разработать методы оценки их стойкости.
Научная новизна работы
-
Определены условия возникновения различных видов электротепловых вдустойчивостей маломощных СВЧ-диодов и транзисторов при стационарном и нестационарном (t^tt) режимах джоулева нагрева, а также условия влияния неустойчивостей на мощность выгорания приборов при воздействиях ЭМИ, СВЧИ и ВИ.
-
Проведен анализ зависимости мощности выгорания - порога отказа маломощных СВЧ ПП - от величии импедансов внешней цепи на СВЧ. и на НЧ, а также от значений сопротивления базы и напряжения обратного пробоя перехода прибора.
-
Показано, что при отсутствии электротепловой неустойчивости деградация маломощного СВЧ ПП, приводящая к его отказу при воздействиях ЭМИ, СВЧИ и ВИ, происходит после однородного джоулева нагрева активной области структуры до температуры плавления полупроводника.
-
Установлено, что при воздействии ЭММ с длительностью фронта порядка 1 не энергия выгорания маломощных СВЧ ПП практически не зависит от полярности и длительности фронта импульса.
-
Показано, что обратимые изменения характеристик маломощного СВЧ ПП, возможные при мощности воздействия ниже порога выгорания, определяются величиной суммарного электрического заряда, перенесенного через его входной переход за общее время воздействия; такие изменения могут привести к временному отказу приемного устройства.
Практическая ценность работы
-
Обследованы и обобщены режимы обратимых и необратимых изменений характеристик приборов одного класса - маломощных СВЧ-диодов и транзисторов при воздействии СВЧИ, ЭМИ и ВИ;
-
Предложены простые и дешевые экспериментальные СВЧИ- и ВИ-
-метода оценки стойкости СВЧ ПП к воздействиям ЭМИ и СВЧИ;
3. Предложены экспериментвльно-расчетшй и расчетный методы оценки стойкости; подучены практические рекомендации для разработки маломощных СВЧ-приборов и приемных устройств, стойких к воздействию интенсивных электромагнитных полей.
Реализация результатов работы
Диссертация является составной частью научно-исследовательских работ по темам й 905Э12. 9G5I05, 905204, 905302, 905402, выполнявшихся по плану важнейших.работ отраслевой научно-исследовательской лаборатории радиотехники при СПбГТУ в интересах РНИ11 "Электронстан-дарт". Основные выводы, а также експериментальные и расчетные метода, ііслученше в данном исследовании, использованы "Электронствн-дартом" при разработке отраслевого методического руководства.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях в РНИИ "Электронствн- . дарт" (Ленинград, 1990г. и 1991г.), на семинаре "НЧ-шумы в полупроводниковых приборах и устройствах" (Черноголовка, ишь 1991г.), на 6-й научной конференции "Флуктуационные явления в физических системах" (Паланга, сентябрь 1991г.), на научной конференции в г.Сикфоро-поле (август 19ЭЗг.), на научно-технической конференщш "Инновационные наукоемкие технологии для России" (С-Петербург, апрель 1995г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации отражены в 4-х статьях, опубликованных в журналах "Изв.ВУЗов. Радиофизика", "Радиотехника и электроника", "Петербургский журнал электроники" и сборнике научных трудов СПбГТУ, в тезисах 2-х докладов на научно-технических конференциях. .
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Основной текст содержит ИЗ машинописных страниц, 37 стр. иллюстраций, 8 таблиц. Список литературы включает 99 наименований.
