Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование процессов в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда в режиме переключения 19
1.1. Процессы накопления неосновных носителей заряда в полупроводниковой структуре диода 20
1.2. Параметры диодов с накоплением заряда .-..25
1.3. Процессы, протекающие в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при генерации сверхкоротких импульсов 27
1.4. Экспериментальное исследование переходных процессов в диодах с накоплением заряда в режиме переключения 36
1.5. Методика измерения параметров ДНЗ 46-
Выводы 52
Глава 2. Моделирование диодов с накоплением заряда 53
2.1. Анализ методов моделирования ДНЗ 53
2.2. Математическая модель ДНЗ, учитывающая процессы рекомбинации и утечки носителей зарядов в сильнолегированные области полупроводниковой стуктуры 57
2.3. Моделирование процессов в полупроводниковой структуре ДНЗ при помощи САПР 62
2.4. Определение модельных параметров ДНЗ-по экспериментальным данным 66
2.5. Определение модельных параметров диода с накоплением заряда 2А609Б ..68
Выводы 73
Глава 3. Генераторы сверхкоротких импульсов с индуктивным накопителем энергии 74
3.1. Схемы генерации СКИ. Процессы, ограничивающие амплитуду и частоту повторения генерируемых СКИ 75
3.2. Генерация СКИ с длительным накоплением заряда 81
3.3. Способ генерации СКИ с одновременной накачкой заряда ДНЗ и накоплением магнитной энергии 91
Выводы 97
Глава 4. Тестирование стойкости элементной базы к воздействию импульсных помех 98
4.1. Обратимые отказы, возникающие при воздействии импульсной помехи на МШУ 100
4.2. Методика автоматизированного тестирования полупроводниковой электронной элементной базы на стойкость к импульсным воздействиям .. 103
4.3. Экспериментальное исследование стойкости полевых транзисторов с затвором Шоттки 112
Выводы 121
Заключение 122
Библиографический список использованной литературы 125
- Процессы, протекающие в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при генерации сверхкоротких импульсов
- Математическая модель ДНЗ, учитывающая процессы рекомбинации и утечки носителей зарядов в сильнолегированные области полупроводниковой стуктуры
- Способ генерации СКИ с одновременной накачкой заряда ДНЗ и накоплением магнитной энергии
- Методика автоматизированного тестирования полупроводниковой электронной элементной базы на стойкость к импульсным воздействиям
Введение к работе
Актуальность работы. Постоянное расширение области применения сверхкоротких импульсов (СКИ) предъявляет все большие требования к формирователям таких сигналов. Основными из них являются: уменьшение длительности, повышение частоты повторения и амплитуды импульсов. Эти требования обусловливают необходимость совершенствования методов генерации импульсных сигналов. В настоящее время формирователи СКИ в большинстве своем строятся на базе индуктивных накопителей энергии и полупроводниковых прерывателей тока. Из-за высокого быстродействия в качестве прерывателей тока зачастую используются различные виды диодов с накоплением заряда (ДНЗ).
Исследованию процессов протекающих в полупроводниковой структуре диодов с накоплением заряда в режиме генерации импульсов на сегодняшний день посвящено большое количество работ, в которых дана их физическая интерпретация, и предложены модели диодов, позволяющие проводить анализ схем умножителей частоты и генераторов высших гармоник. Однако остается нерешенной проблема, связанная с процессами, ограничивающими амплитуду и частоту повторения формируемых СКИ. Для улучшения основных характеристик генератора становится необходимым исследование и учет этих процессов. Таким образом, указанные обстоятельства подтверждают незавершенность существующих исследований в этой области.
При использовании сверхкоротких импульсных сигналов в реальных радиоэлектронных системах неизбежно возникают проблемы, связанные с электромагнитной совместимостью. Наиболее уязвимым узлом к воздействию таких помех является малошумящий усилитель (МШУ). Основу элементной базы МШУ составляют различные виды транзисторов СВЧ (ПТШ, НЕМТ, НВТ). Известно, что воздействие последовательностей СКИ на МШУ может вызывать как обратимые, так и необратимые сбои в их работе. На данный момент в литературе хорошо освещены физические явления в полупроводниковой структуре транзисторов, вызванные воздействием СКИ. Однако не существует единой методики отбора полупроводниковой элементной базы по критерию стойкости к воздействию такого рода сигналов. Такая методика позволит производить тестирование транзисторов непосредственно на этапе производства и выявлять наиболее стойкие к
воздействию СКИ, что снизит уязвимость радиоэлектронной аппаратуры при работе в условиях импульсных воздействий.
Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных выше задач определяет актуальность тематики данной диссертации.
Целью работы является:
Исследование процессов в полупроводниковой структуре ДНЗ при генерации СКИ, разработка генераторов, позволяющих улучшить энергетические параметры формируемого импульсного сигнала, и разработка методики и автоматизированного измерительного стенда для тестирования полупроводниковой элементной базы по критерию стойкости к импульсным воздействиям.
Основные задачи:
исследовать переходные процессы в ДНЗ в режиме переключения для различных режимов работы диода;
разработать математическую модель ДНЗ, учитывающую процессы накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в полупроводниковой структуре диода, а также методику определения параметров этой модели по экспериментальным данным;
исследовать методы генерации СКИ на основе накопления магнитной энергии;
разработать схемотехнические решения, позволяющие улучшить энергетические параметры формируемых СКИ;
разработать методику экспериментальных исследований стойкости элементной базы при воздействии СКИ;
разработать автоматизированный измерительный стенд для испытаний полупроводниковой элементной базы по критерию стойкости к воздействию СКИ.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы теории электрических цепей и сигналов, методы физики полупроводников, математического и компьютерного моделирования, физическое моделирование, численные методы расчета и анализа, математический аппарат дифференциальных уравнений, современные методики экспериментальных исследований.
Научная новизна.
Проведено теоретическое и экспериментальное исследование диодов с накоплением заряда, в результате которого выявлены процессы в их полупроводниковой структуре, влияющие на процесс переключения. Показано, что накопление неосновных носителей заряда в легированных областях ДНЗ приводит к замедлению процесса переключения.
Разработана модель ДНЗ, учитывающая процессы накопления и рассасывания неосновных носителей в полупроводниковой структуре.
Предложен способ генерации СКИ с управляемыми амплитудой и длительностью формируемых импульсов.
Предложено схемотехническое решение генератора, в котором минимизированы паразитные переходные процессы, что позволило повысить амплитуду и частоту повторения импульсов.
На основе генераторов с изменяемыми параметрами формируемых СКИ, разработана методика автоматизированного тестирования полупроводниковой элементной базы при воздействии сверхкоротких импульсных помех.
Практическая ценность работы.
Выявлены процессы накопления «паразитного» заряда в легированных областях полупроводниковой структуры ДНЗ, ограничивающие амплитуду и частоту повторения генерируемых СКИ.
Предложена модель диода с накоплением заряда, учитывающая процессы накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в полупроводниковой структуре, а также токи утечки заряда активной области.
Выявлены зависимости амплитуды и длительности формируемых СКИ от величины прямого тока протекающего через ДНЗ.
Предложено схемотехническое решение для генерации СКИ большой амплитуды и с высокой частотой повторения.
Предложена методика и автоматизированный измерительный стенд для отбора элементной базы по критерию стойкости к воздействию сверхкоротких импульсов.
Достоверность полученных в диссертации результатов определяется корректным применением математических методов, соответствием выводов известным фундаментальным теоретическим представлениям, соответствием результатов моделирования полученным экспериментальным данным.
На защиту выносятся следующие результаты, впервые достаточно подробно развитые или впервые полученные в настоящей работе:
Результаты теоретического и экспериментального исследования процессов в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при генерации сверхкоротких импульсов и их физическая интерпретация.
Модель диода с накоплением заряда, учитывающая эффекты накопления неосновных носителей в активной и сильнолегированных областях полупроводниковой структуры прибора.
Схемотехническая реализация генератора, позволившая увеличить амплитуду и частоту повторения формируемых сверхкоротких импульсов.
Методика автоматизированного отбора полупроводниковой элементной базы по критериям стойкости к импульсным воздействиям.
Личный вклад автора 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: XIV, XV, XVI, XVII
Международных научно-технических конференциях «Радиолокация,
навигация, связь», Воронеж, 2008, 2009, 2010, 2011 г., соответственно; 7, 8
Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и
электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2007, 2009 г., соответственно;
10-й Российской научно-технической конференции по электромагнитной
совместимости технических средств и электромагнитной безопасности: ЭМС-
2008, г. Санкт-Петербург, 2008 г; V, VII Международных научно-технических
конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов», г.
Казань, г. Самара, 2007, 2008г., соответственно; 63, 65, Научных сессиях
РНТОРЭС им. Попова, посвященных Дню радио, г.Москва, 2008, 2010 г.,
соответственно; 9 Международной научно-технической конференции
«Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», г. Казань, 2008 г; 18-й
Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и
телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 2008 г; 20th International Zurich Symposium "Electromagnetic Compatibility 2009", Zurich, 2009; Научных сессиях Воронежского государственного университета, г. Воронеж, 2008, 2009, 2010,2011г.
Внедрение научных результатов. Результаты диссертации использованы в научно-исследовательских работах, выполнявшихся на кафедре электроники
Воронежского государственного университета «Диффузия-К-ВГУ» (государственный контракт № 64019/36-06), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (государственный контракт № П1140 и № 14.740.11.1081), а так же в учебном процессе.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, работы [16, 18, 19] опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций основных результатов диссертаций, остальные работы - в сборниках трудов конференций.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 100 наименований. Объём диссертации составляет 135 страниц, включая 48 иллюстраций.
Процессы, протекающие в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при генерации сверхкоротких импульсов
Для характеристики инерционности диодов используют ряд параметров, знание которых, наряду со знанием параметров вольтамперной характеристики, позволяет проводить инженерные расчеты импульсных схем [4].
Постоянное прямое падение напряжения измеряется при определенной величине прямого тока inp, которая выбирается такой, чтобы режим измерения соответствовал крутому участку вольтамперной характеристики. При этом можно считать, что при небольших отклонениях рабочего тока в схеме от нормировочного значения величина Unp меняется незначительно. Постоянный обратный ток i0op в подавляющем большинстве случаев измеряется при обратном напряжении, равном максимально допустимому для данного диода. Норма на величину i0QP при комнатной температуре у кремниевых диодов, как правило, не превышает единиц микроампер, тогда как у германиевых составляет десятки и сотни микроампер [1]. Величина i0gp нормируется при трех температурах. Следует отметить, что реальные значения г0ф могут оказаться на порядок меньше нормы. Это связано с необходимостью обеспечения высокой надежности приборов и наличия «запаса прочности». При этом, однако, расчет схем высокой надежности с взаимозаменяемостью деталей ведется по максимальной величине i0ep.
Постоянное прямое падение напряжения и постоянный обратный ток практически полностью определяют работу диода в статическом режиме.
Время восстановления обратного сопротивления гвосст - отрезок времени от момента прохождения тока через нулевое значение, при переключении диода с прямого на обратное напряжение, до момента когда обратный ток диода уменьшается до заданного уровня отсчета (например, 10% от максимальной величины обратного тока [4,67]). Амплитуда запирающего импульса при измерениях твосст чаще всего выбирается равной 10 в.
Заряд переключения Оп - это полная величина заряда, переносимого переходным обратным током после переключения диода с заданного прямого тока на обратное напряжение. Эта величина является важной характеристикой переходного процесса в- диоде, она фактически равна полному электрическому заряду, отданному диодом во внешнюю цепь.после переключения: Графически ()п выражается площадью ограниченной осями координат и кривой обр(0 (рис. 1.1 В),. Значения прямого тока и запирающего напряжения выбираются такими же, как и при измерении времени восстановления.
В, технических условиях на импульсные диоды чаще задается параметр Твосст И гораздо реже )п Емкость диода, Сд - емкость между выводами диода» при заданном смещении. Эксплуатационные возможности- импульсных диодов характеризуются введением трех максимально допустимых режимов. Максимально допустимое обратное напряжение - максимально допустимое напряжение на диоде любой формы и периодичности, при котором обеспечивается заданная надежность диода при его длительной работе в течение оговоренного срока службы. Максимально допустимый прямой ток - максимально допустимое значение постоянного или среднего прямого тока, при котором обеспечивается заданная надежность диода при длительной работе. Максимально допустимый прямой импульсный ток - максимально допустимый импульсный ток через диод с оговоренной максимальной длительностью импульса, при котором обеспечивается заданная надежность диода при длительной работе. При расчете режима работы диода - необходимо следить за тем, чтобы не превышались эти значения. Следует отметить, что система электрических параметров диодов с накоплением заряда не приобрела времени полной законченности. В качестве основных характеристик широко используют величины твосст и Сд, реже ()п. 1.3. Процессы, протекающие в полупроводниковой структуре диода« с накоплением заряда при генерации сверхкоротких импульсов В связи с высоким быстродействием диоды с накоплением заряда успешно используются в качестве прерывателей тока в генераторах сверхкоротких видеоимпульсов (СКВИ) нано- и субнаносекундной длительности с индуктивными накопителями энергии [37-40,67]. Работа таких прерывателей основана на эффекте резкого- восстановления блокирующей способности диодов. Во время протекания через диод прямого тока за счет инжекции положительных и отрицательных носителей заряда происходит его накопление в форме электрически нейтральной электронно- дырочной плазмы. Затем создаются условия, при которых через диод протекает обратный ток, рассасывающий накопленный заряд. Как только концентрация носителей становится равной нулю, происходит резкое восстановление высокого обратного сопротивления и обрыв тока диода. Время переключения, в современных диодах может составлять десятки пикосекунд. Однако с момента накопления и до полного рассасывания заряда в диоде могут проходить дополнительные- процессы. В большинстве случаев, в качестве основных параметров ДНЗ используют время переключения и время жизни носителей; Последнее характеризует процессы рекомбинации носителей и определяет время, за которое их концентрация станет равновесной без протекания через диод обратного, рассасывающего заряд, тока. Необходимо отметить, что кроме рекомбинации в полупроводниковой структуре существуют токи утечки заряда через потенциальные барьеры, ограничивающие активную область (область накопления заряда) диода, которые наряду с прямым током и процессами рекомбинации будут определять максимальный, равновесный накопленный заряд. Токи утечки могут существенно повлиять на процессы восстановления непроводящего состояния диода, поскольку они приводят к накоплению заряда и вне его активной области.
В настоящее время известно несколько полупроводниковых диодных структур, обладающих свойством резкого восстановления состояния с высоким сопротивлением [68], например р+-п-п+ или п+-п-р-р+. Одной из них является р-Ь-п структура, на примере которой могут рассматриваться основные процессы и свойства ДНЗ.
Для оценки токов утечки рассмотрим упрощенную структуру диода с накоплением заряда представленную на рисунке 1.2. Будем, считать, что в диоде присутствуют три области полупроводника с различной концентрацией и типом проводимости. Первая область — зона полупроводника я+-типа, вторая - собственного полупроводника /-типа, являющаяся активной областью диода, и третья область — слой полупроводника //-типа. На границе раздела областей / и п+, а также / и р+ образуются полупроводниковые переходы, способствующие накоплению заряда в / области, отмеченой на рисунке 1.2. Металические электроды (анод и катод на рисунке 1.2) образуют омический контакт в месте соединения с сильнолигированным полупроводником.
Математическая модель ДНЗ, учитывающая процессы рекомбинации и утечки носителей зарядов в сильнолегированные области полупроводниковой стуктуры
В настоящее время в качестве сигналов для сверхширокополосных радиосистем все чаще используются сверхкороткие импульсы (СКИ) субнаносекундной длительности. Наиболее важными параметрами генерируемого СКИ для- приложений радиолокации и связи являются длительность импульсов, их частота повторения и- амплитуда, которые определяются переходными процессами в схеме генератора и особенностями работы ключевого элемента.
Генераторы импульсов субнаносекундной- длительности на твердотельных, элементах можно свести к трем основным типам [38 ,72-83]. Генераторы первого типа обычно строятся на базе полупроводниковых замыкающих приборов с лавинным пробоем: лавинных транзисторах, диодах с задержкой лавинного пробоя и т.п. [38]. Известные в литературе формирователи такого типа обладают рядом недостатков, основными из которых являются» низкий КПД и малая частота повторения» импульсов. Второй тип содержит накопитель энергии (индуктивный или емкостной) и - полупроводниковый размыкатель тока, в качестве которого используют различные виды диодов с накоплением заряда [68; 81, 84-87]. Третьим типом выделяют солитонные формирователи, основанные на обострении импульсов линиями с нелинейными элементами. Pix обычно применяют для уменьшения длительности импульсов генераторов первых двух типов [38].
Настоящая глава диссертации посвящена исследованию генераторов второго типа, а также оптимизации- методов генерации СКИ; с целью увеличения частоты повторения импульсов и выбора оптимального режима работы ДНЗ для уменьшения паразитных процессов его переключения.
Для генерации сверхкоротких импульсов при помощи диодов с накоплением заряда традиционно используют решения, заимствованные из умножителей частоты [1,45]. Пример простейшей схемы приведен на рисунке 3.1. В таких схемах генерации через линейную цепь (емкость - индуктивность) на ДНЗ. подается импульс накачки. В момент начала действия этого импульса начинает заряжаться конденсатор С линейной цепи через диод Ш) и катушку индуктивности Ь. Протекающий прямой ток создает условия накопления заряда в полупроводниковой структуре диода. В момент окончания импульса емкость начинает разряжаться через ту же цепь, что и при заряде, при этом через диод начинает протекать обратный ток, рассасывающий накопленный заряд. Одновременно с этим процессом происходит накопление энергии и в индуктивности. Разряд конденсатора длится меньше его заряда из-за разных постоянных времени. При достижении максимального обратного тока происходит восстановление обратного сопротивления диода и формирование СКИ в нагрузке Я за счет накопленной в индуктивности энергии.
На первый взгляд, данный способ формирования удобен по причине простоты реализации. Однако на практике возникают некоторые трудности. Во-первых, для формирования СКИ большой амплитуды с длительностями менее 500- пс возникает проблема наличия быстродействующего ключа для- генерации импульсов накачки. Во-вторых, уменьшение длительности СКИ возможно, только при уменьшении индуктивности, что, в свою очередь, влечет за собой- увеличение емкости линейной цепи и уменьшение ее характеристического сопротивления при той же постоянной времени. Низкое характеристическое сопротивление ставит более жесткие условия, предъявляемые к ключу которые сводятся к его высокой скорости включения и выключения (менее 1-10 не в зависимости от длительности формируемого СКИ) и его низкому выходному сопротивлению во включенном состоянии.
Рассмотрим модифицированную схему генератора СКИ [38], приведенную на рис. 3.2. Схема содержит управляемый ключ Кл, источник питания Е, постоянную индуктивность Ь, насыщающийся трансформатор Тр, конденсатор С, диод с накоплением заряда - Д и нагрузку Ян- Сд - емкость диода. В момент срабатывания ключа начинается заряд емкости С. Ток заряда проходит через ДНЗ в прямом направлении. Индуктивность в цепи заряда есть сумма индуктивности Ь и индуктивности рассеяния трансформатора - Ь$ с учетом вторичной обмотки. Пока ключ замкнут, трансформатор находится в состоянии насыщения. Обмотки трансформатора выбраны таким образом, чтобы он замагнился к моменту отключения ключа, то есть, в (момент максимального заряда емкости С. К этому моменту ток в цепи накачки заряда становится равным нули, либо начинает протекать обратный ток. Это способствует быстрому выключению ключа. После размыкания ключа происходит разряд емкости С через индуктивность вторичной обмотки насыщенного трансформатора. Через ключ протекает малый обратный ток, им можно пренебречь. Как только заряд, накопленный в диоде, становится равным нулю, энергия намагниченного трансформатора переходит в нагрузку. После формирования импульса трансформатор размагничивается из-за прекращения тока обмоток. Время полного размагничивания определяется свойствами применяемого материала магнитопровода и составляет обычно не менее нескольких микросекунд, что вносит ограничения на максимальную частоту повторения генерируемых СКИ. Схема, представленная на рис. 3.3, содержит управляемый ключ Кл, насыщающийся дроссель Др, конденсатор С, диод с накоплением заряда - Д и нагрузку Ян. Сд - емкость диода.
Способ генерации СКИ с одновременной накачкой заряда ДНЗ и накоплением магнитной энергии
Предложен способ генерации СКИ с возможностью перестройки амплитуды и длительности формируемых импульсов посредством изменения прямого тока через диод.
Выявлено, что амплитуда и частота повторения СКИ ограничивается эффектами накопления паразитного заряда вне активной области диода. Снизить влияние этих эффектов в предложенной схеме возможно, ограничив прямой ток, накапливающий полезный заряд в ДНЗ.
Для увеличения амплитуды и частоты повторения СКИ предложено схемотехническое решение, в котором накопление энергии магнитного поля в индуктивности происходит в течение всего цикла работы генератора. Минимизация времени переходных процессов после переключения диода в состояние с высоким обратным сопротивлением достигается выбором времени включения транзисторного ключа и напряжений питания. В настоящее время сверхкороткие импульсные сигналы находят широкое применение во многих областях радиоэлектроники; прежде всего, это сверхширокополосная локация и связь, системы электромагнитного противодействия, рефлектометрия и т.п. [90-93]. Эти сигналы обладают большой информационной емкостью„ и позволяют повысить скрытность передачи информации. Однако определенные их виды могут выступать и в роли помех. В связи с этим возникает задача исследования электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств в присутствии сигналов такого типа. Как отмечается в литературе [11,62,96,97], наиболее опасными с точки зрения воздействия на радиоэлектронную аппаратуру являются последовательности сверхкоротких импульсов, которые могут приводить к ухудшению функциональных характеристик. Как известно, одним из наиболее уязвимых к воздействию помех узлов радиоэлектронной аппаратуры является малошумящий усилитель (МШУ) [11,13,97], который зачастую стоит сразу же после приемного тракта.
Работа входного малошумящего усилителя приемника определяется совокупностью параметров, которые в общем случае можно разделить на две группы. Первая группа параметров описывает возможности устройства, которые непосредственно связаны с его основными функциями. Примерами могут служить коэффициенты усиления и шума, рабочие напряжения и токи. Такие параметры называют функциональными. Вторую группу составляют параметры электромагнитной совместимости (ЭМС), определяющие способность устройства работать совместно с другими, то есть в присутствии помех. Устойчивая работа входных малошумящих усилителей при воздействии помех различного типа во многом определяется сохранением на приемлемом уровне его функциональных характеристик. В реальных условиях для обеспечения устойчивого функционирования радиоэлектронного средства (РЭС) необходимо оптимизировать функциональные параметры для сведения к минимуму влияния воздействий.
Малошумящий усилитель вносит наибольший вклад в значение коэффициента шума всего приемника. Наряду с полезным сигналом, помехи, попадающие в полосу приема МШУ, могут оказывать влияние не только на усилитель, но и следующие за ним устройства. В- присутствии помех в МШУ чаще всего наблюдаются эффекты, связанные с нелинейностью амплитудной характеристики усилителя, такие как интермодуляция, перекрестные искажения, блокирование и др. Влияние помех можно уменьшить, оптимизируя режим работы МШУ, увеличивая- верхнюю границу динамического диапазона, например, оптимизируя его-электрический режим или иным способом. Такая оптимизация эффективна в случае узкополосных помех [59,96-98]. Однако в последнее- время все большую долю используемых радиосигналов занимают сверхширокополосные сигналы, которые в частном случае могут являться помехами для приемных РЭС. Основные физические механизмы воздействия таких помех чаще всего не связаны с нелинейностью амплитудной характеристики МШУ. Вследствие этого, оптимизация, направленная на уменьшение нелинейных- свойств оказывается не эффективной, и может приводить к противоположному результату.
В работах [52-65,96] представлены исследования обратимой деградации характеристик ваАз полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ) и транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Под обратимой деградацией понимается временное ухудшение функциональных параметров прибора под воздействием СКИ и затем их длительное восстановление до первоначального значения после снятия этого воздействия. Последовательность отрицательных СКИ с амплитудой превышающей по модулю напряжение отсечки приводит к уменьшению тока стока транзистора вследствие перезарядки глубоких уровней в полупроводниковой структуре твердотельного элемента. После прекращения воздействия наблюдаются процессы восстановления тока стока до первоначального состояния, время которых может составлять от десятков микросекунд до сотен минут. Для исследования таких длительных релаксационных процессов требуется применение автоматизации измерений, поскольку осциллографические методы практически неприемлемы.
В настоящей главе представлена, методика автоматизированных испытаний электронной элементной базы в составе входных малошумящих усилителей по критерию стойкость к воздействию видеоимпульсов сверхкороткой длительности. Описана- методика определения, основных параметров деградации характеристик ПТШ и НЕМТ, в качестве примера приведены результаты испытаний параметров электромагнитной совместимости малошумящего усилителя сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ) на основе арсенид-галлиевых полевых транзисторов с затвором Шоттки, при воздействии последовательности сверхкоротких видеоимпульсов (СКВИ).
Методика автоматизированного тестирования полупроводниковой электронной элементной базы на стойкость к импульсным воздействиям
В данной работе предлагается методика исследования стойкости МШУ на основе полупроводниковой элементной базы (ПТШ и НЕМТ). Обратимые эффекты в полупроводниковой структуре транзисторов рассматривались при воздействии СКВИ отрицательной полярности по его входным цепям. Степень воздействия зависит от конструктивных и технологических параметров полупроводниковой структуры транзистора, а также временных и энергетических характеристик импульсной последовательности.
В качестве измеряемого оценочного параметра был выбран ток стока, величина которого однозначно связана с толщиной активного слоя канала транзистора. Методика исследования стойкости элементной базы была реализована с помощью автоматизированного измерительного стенда (АИС) [95], блок-схема которого представлена на рисунке 4.1.
Предлагаемый автоматизированный измерительный стенд предназначен для исследования работы полупроводниковых электронных устройств в условиях воздействия» импульсных помех сверхкороткой- длительности. Исследования проводятся в рабочем режиме полупроводниковых приборов в присутствии сверхкоротких импульсных помех, которые подаются непосредственно- на выводы- устройства контактным способом. В ходе эксперимента регистрируются основные функциональные параметры прибора, затем проводится анализ изменения этих параметров вследствие воздействия СКИ: Можно выделить три основные функции измерительной установки: - имитация условий эксплуатации прибора в реальной радиоэлектронной системе (источники питания, формирователи опорных напряжений, генераторы входных сигналов и приёмники выходных); - формирование на выводах, исследуемого прибора СКИ с регулируемыми параметрами (амплитуда, форма й период следования); - измерение функциональных параметров прибора при воздействии СКИ. Основными частями АИС являются: 1 - испытательный модуль (МШУ); 2 - генератор сверхкоротких видеоимпульсов; 3 — генератор запускающих импульсов Agilent 81104А; 4 - генераторы гармонического СВЧ сигнала; 5 — амплитудный детектор; 6 - стробоскопический осциллограф С9-9; 7 - измерительная установка National Instruments. Испытательный, модуль представляет собой МШУ сверхвысокочастотного диапазона. Для транзистора используется типовая усилительная схема включения с общим истоком. В- схеме предусмотрен отвод через индуктивность для контроля тока стока транзистора1 с использованием АЦП: Датчиком тока стока в схеме аналогового модуля служит резистор в выходной цепи транзистора, напряжение на котором пересчитывается в величину тока стока.
Изменение этой величины при импульсном воздействии характеризует влияние перегрузок на проводимость канала транзистора и, следовательно, на его основные функциональные параметры. Глубина деградации транзистора в результате импульсных воздействий характеризуется величиной изменения тока стока относительно его рабочего значения, а время его восстановления соответствует времени восстановления функциональных параметров.
Типовой алгоритм измерения характеристик МШУ под воздействием СКИ представлен на рисунке 4.2. Измерения начинаются с определения статических характеристик транзистора без импульсных воздействий. Сюда входят вольтамперные характеристики, зависимость коэффициента усиления от напряжения затвор-исток, амплитудно-частотная характеристика МШУ. Затем выставляется начальное значение амплитуды воздействующих СКИ, и начинается цикл измерений эффектов воздействия СКИ: В начале каждого шага измеряется исходное значение тока стока, с помощью которого определяется время окончания процессов восстановления функциональных характеристик транзистора. Затем производится регистрация временных зависимостей тока стока транзистора во время и после воздействия импульсной последовательности. После восстановления тока стока до исходного значения производится переход на другой период следования импульсов, и испытания продолжаются уже с ним. Для управления периодом следования СКИ используется измерительная установка National Instruments и генератор запускающих импульсов Agilent 81104А. Когда все заданные периоды использованы, цикл измерений завершается. Затем производится изменение амплитуды СКИ, и цикл начинается вновь. Все полученные результаты сохраняются в отдельных файлах и могут быть использованы для анализа и представления результатов в удобной форме.
Автоматизированное управление экспериментом осуществляется с использованием программно-аппаратной платформы PXI National Instruments, представляющей собой высокопроизводительный компьютер, оборудованный дополнительными слотами для подключения модуля PXI- 6115, содержащего АЦП, ЦАП и цифровую» шину. Алгоритм измерений реализован в среде визуального программирования LabView. Язык программирования LabView основан на концепции виртуальных приборов. Они функционально и визуально подобны реальным (традиционным) приборам, однако являются их программными реализациями. Виртуальный прибор (ВП) состоит из двух основных частей: первая - лицевая панель (Front Panel) представляет собой интерактивный, пользовательский интерфейс виртуального прибора, она имитирует лицевую панель традиционного прибора. На ней располагаются элементы управления, индикаторы и элементы визуализации потоков данных. Вторая - это блок-диаграмма (Block Diagram) является исходным программным кодом ВП, созданным на языке графического программирования Lab VIEW. Она представляет собой исполняемое приложение. Компонентами блок-диаграммы являются: виртуальные приборы» более низкого уровня, встроенные функции Lab VIEW, константы и структуры управления выполнением программы. Объекты на лицевой панели однозначно связаны с соответствующими терминалами блок- диаграммы, через них данные могут поступать от пользователя в исполняемый код и обратно.
