Введение к работе
з
Актуальность темы исследования. Мощные импульсные помехи, создаваемые разрядами атмосферного электричества, всегда являлись препятствием для улучшения качества радиосвязи. Разряд молнии порождает широкополосный электромагнитный импульс, перекрывающий многие радиовещательные каналы и способный порождать помехи в эфире даже на противоположной стороне земного шара. Развитие современной радиотехники подошло к тому, чтобы использовать сверхкороткие импульсы (СКИ) для радиосвязи. Предполагается, что избыточная информация в спектре сверхширокополосного сигнала позволит приёмнику восстановить переданное сообщение, несмотря на потери в спектральных линиях поглощения или в результате интерференции помех.
Основной проблемой таких систем является обеспечение электромагнитной совместимости, которая обуславливается не только потерей информации в результате интерференции сигналов, но и специфическими явлениями деградации характеристик полупроводниковых структур. Деградация может быть обратимой (временной) или необратимой при экстремально больших пиковых мощностях сверхширокополосных сигналов, приводящих к электрическим перегрузкам. С этими эффектами столкнулись в радиолокации при использовании мощных зондирующих импульсов. В результате электрической перегрузки происходила временная деградация характеристик приёмника, и отражённый от цели сигнал не принимался. Было установлено, что наиболее критичным к перегрузкам элементом приёмника является малошумящий усилитель (МШУ), который в современных радиосистемах, как правило, выполняется на GaAs полевом транзисторе с затвором Шоттки (ПТШ).
Сверхширокополосные сигналы могут наводиться в виде электрических импульсов больших амплитуд на линиях передач, кабелях питания, сигнальных шлейфах, дорожках печатных плат и, в общем случае, воздействовать на все элементы радиоэлектронного оборудования. Широкий спектр СКИ обуславливает высокую проникающую способность импульсов даже через технологические отверстия экранирующих корпусов. В связи с этим представляет интерес воздействие СКИ не только на приёмный тракт, но и на блоки цифровой обработки сигналов и системы управления, в которых в настоящее время широко применяются МОП-транзисторы.
Таким образом, для решения проблемы дальнейшего развития сверхширокополосной радиотехники необходимо исследовать воздействие сверхкоротких импульсных электрических перегрузок на широко используемые в настоящее время полупроводниковые приборы. В частности, это GaAs ПТШ, на которых строятся малошумящие усилители СВЧ диапазона, и МОП-транзисторы, широко применяющиеся в аналоговых и цифровых схемах формирования и обработки сигналов.
Цель работы - выявление механизмов возможных сбоев аналоговых, цифровых и гибридных схем на полевых транзисторах под действием сверхкоротких электрических перегрузок, а также разработка методов оценки стойкости полупроводниковых приборов к воздействию сверхкоротких импульсов.
4 В задачи исследования входило:
Исследовать природу длительных переходных процессов в малошумя-щем усилителе, выполненном на GaAs ПТШ, при воздействии импульсных перегрузок.
Оценить теоретически и экспериментально стойкость аналоговых и цифровых схем на МОП-транзисторах к воздействию сверхкоротких импульсных перегрузок.
Разработать методы экспериментального определения стойкости полупроводниковых приборов к воздействию СКИ.
Методы исследования. В работе использовались методы компьютерного моделирования физических процессов и электронных схем. Методы аналитического и численного решения физических задач. Методы радиофизических измерений.
Научная новизна работы.
Выявлены отличия в динамике перезарядки областей объёмного заряда GaAs ПТШ, обуславливающие длительные процессы восстановления тока стока транзистора после действия импульсной перегрузки.
Проведена оценка стойкости цифровых схем КМОП-логики: микросхем триггеров Шмитта и счётных Т-триггеров к воздействию СКИ.
Предложены модели воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющие рассчитывать переходные процессы.
Разработаны экспериментальные установки для исследования воздействия СКИ на полупроводниковые приборы.
Предложены методы экспериментальной оценки стойкости полупроводниковых приборов к воздействию сверхкоротких импульсных помех и перегрузок.
Практическая ценность работы.
Выявлены причины возникновения сбоев в реальных электронных схемах на полевых транзисторах (GaAs ПТШ и МОПТ) под действием сверхкоротких импульсных перегрузок.
Показано влияние концентрации примеси хрома в арсениде галлия на характер и длительность процесса восстановления тока стока полевого транзистора с затвором Шоттки после снятия перегрузки.
Предложены модели воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющие оценивать и рассчитывать переходные процессы.
Предложены схемы измерительных установок и методы экспериментального определения стойкости полупроводниковых приборов (аналоговых, цифровых и гибридных) к сверхкоротким импульсным помехам и перегрузкам.
Достоверность полученных в диссертации результатов определяется и подтверждается корректным применением математических методов, соответствием известным фундаментальным теоретическим представлениям и непротиворечивостью с исследованиями других авторов по данной тематике, коррект-
5 ной постановкой эксперимента и интерпретацией результатов измерений, согласованием результатов эксперимента с результатами компьютерного моделирования.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
Модель GaAs ПТШ, позволяющая рассчитывать длительные переходные процессы, вызываемые импульсными электрическими перегрузками.
Результаты моделирования структуры объёмного заряда GaAs ПТШ, позволившие выявить две области, в которых приращения зарядов глубоких уровней имеют противоположные знаки. Отличия в динамике перезарядки этих областей обуславливают быструю и медленную стадии восстановления тока стока транзистора и наличие кумулятивного эффекта при воздействии серии импульсов перегрузки.
Модель воздействия сверхкоротких импульсных перегрузок на МОП-транзисторы, позволяющая оценить параметры и вид переходных процессов в схемах усилителей на МОП-транзисторах.
Результаты численного расчёта и экспериментального исследования воздействия СКИ на инвертирующие усилители на МОП-транзисторах, позволившие выявить механизм переходных процессов, определяющих восприимчивость усилителей к помехам в виде СКИ.
5. Результаты моделирования и экспериментального исследования воз
действия СКИ на интегральные триггеры Шмитта КМОП-логики, показавшие,
что под действием электрической перегрузки сужается зона неопределённости
триггера Шмитта и, соответственно, ухудшается помехоустойчивость цифро
вых схем, в которых эти триггеры используются для регенерации и генерации
цифровых сигналов.
Результаты экспериментальных исследований воздействия СКИ на счётные триггеры КМОП-логики, выявившие наличие аномальных переключений цифровых схем под действием сверхкоротких импульсных перегрузок, которые с большой вероятностью могут приводить к сбоям цифровых схем.
Схемы измерительных установок и методы экспериментального определения стойкости усилителей на МОП-транзисторах, триггеров Шмитта и счётных триггеров к воздействию СКИ.
Личный вклад автора определяется выбором объектов исследования; постановкой и проведением экспериментов; разработкой и изготовлением измерительных установок и модулей; написанием компьютерных программ, расширяющих возможности стандартного программного обеспечения и осуществляющих обработку экспериментальных данных; анализом и интерпретацией экспериментальных результатов; проведением теоретических исследований.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
- XIII, XIV, XV, XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» г. Воронежа в 2007, 2008, 2009, 2010 годах соответственно.
VII Международной научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения А.С. Попова «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 2007.
VIII Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и экологии, г. Санкт-Петербург, 2009.
научных сессиях Воронежского государственного университета с 2007 г. по 2011 г.
Внедрение научных результатов. Научные результаты, полученные в ходе настоящего диссертационного исследования, использованы в научно-исследовательской работе «Диффузия-К-ВГУ» (государственный контракт № 64019/36-06) и при выполнении работ в рамках Федеральной целевой программы (государственный контракт № П1140).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 статей в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертаций, и 9 докладов в материалах научно-технических конференций.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка используемой литературы из 80 наименований. Общий объём диссертации составляет 200 страниц, включая 58 страниц иллюстраций и 10 страниц приложений.
