Введение к работе
Актуальность темы. Риски, связанные с эффектами нарушения работоспособности электронных схем, простираются от простейших эффектов пробоя в бытовых устройствах до опасных отказов и аварий электронного оборудования Они проявляются в виде сбоев различного характера в работе электронного оборудования в системах контроля движения, системах связи и системах обороны и могут привести к фатальным последствиям для указанных областей и всей экономики в целом
В настоящее время подавляющая часть электронных систем, применяемых как в военных и разведывательных целях, так и в устройствах гражданского назначения - системы связи и коммуникации, средства навигации, и т п - работает в условиях, в которых она подвержена в той или иной мере воздействию естественного или искусственного излучения Эти системы при облучении должны в течение определенного заданного промежутка времени сохранять неизменными свои параметры и поддерживать работоспособность
Однако, при облучении материалов и приборов, составляющих основу элементной базы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в них могут протекать различные процессы, приводящие к временному или постоянному изменению их оптических, электрофизических свойств, включая такие , как генерация электронно-дырочных пар при облучении импульсами микроволнового излучения или фотонов, комптоновское рассеяние, фотоэлектрические процессы, образование Оже-электронов и т д Под действием нейтронов могут происходить ядерные превращения, а нейтронно-стимулированные реакции могут приводить к появлению вторичных фотонов и заряженных частиц Эти процессы приводят к изменению параметров элементной базы и характера функционирования блоков и узлов в РЭА Кроме того, современное развитие микроэлектронной базы направлено на повышение быстродействия и экономичности электронных устройств, следствием чего является уменьшение размеров активных элементов и толщин слоев в планарных структурах В результате существенно возрастает роль состояния поверхности и границ раздела разнородных материалов, таких как металл-полупроводник, диэлектрик-
полупроводник и полупроводник-полупроводник (разного состава или уровня легирования) При прохождении электромагнитного излучения (ЭМИ) через микроэлектронное устройство значительная часть энергии будет рассеиваться и поглощаться на таких структурных неоднородностях и вызывать изменения их оптических и электрофизических характеристик В результате это может привести к кратковременному или долговременному изменению в функционировании активного элемента и схемы, параметры которого зависят от физического состояния структурной неоднородности
Развитие техники генерации электромагнитного излучения привело к созданию источников излучения, позволяющих формировать на выходе очень короткие (< 109 с) биполярные и однополярные (видео) импульсы достаточно большой амплитуды ~ 103В, период следования которых велик (10~2 -10"6 с) по сравнению с длительностью импульса Взаимодействие таких мощных сверхкоротких импульсов (СКИ) электромагнитного излучения (ЭМИ) с твердотельными структурами, когда времена нарастания и спада фронтов импульса сопоставимы или даже меньше характерных времен релаксационных процессов в диэлектриках и полупроводниках, могут вызывать изменения различных параметров облучаемых объектов, которые могут носить как временный характер (во время и после облучения), так и катастрофический
Экспериментальные исследования процессов нестационарного нелинейного преобразования энергии СКИ ЭМИ в энергию отклика твердых тел и активных элементов и схем на их основе представляются актуальными
Сложность построения математического аппарата для адекватного описания процессов взаимодействия сверхкоротких импульсов с различными материалами и структурами приводит к тому, что на данном этапе развития этого научного направления приоритетными являются экспериментальные исследования
Тема диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных президентом РФ («Противодействие терроризму») Диссертационная работа является частью комплексных исследова-
ний, проводимых на кафедре твердого тела и наноструктур Воронежского государственного университета по госкоіпракту № 4587
Цель работы. Экспериментальное исследование воздействия мощных
наносекундных импульсов электромагнитного излучения на параметры и
вольтамперные характеристики биполярных и полевых структур и простейших
цифровых и аналоговых микросхем, построенных на их основе
В соответствии с целью работы были сформулированы след>ющие задачи
-
Разработка и создание экспериментального стенда для исследования вольтамперных характеристик биполярных диодов и транзисторов, полевых транзисторов, ф>нкционирования аналоговых и лопиеских микросхем при воздействии мощных сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения (СКИ ЭМИ) с обеспечением требований к высокой защищенности внешних измерительных приборов от воздействия СКИ ЭМИ
-
Исследование электрофизических характеристик биполярных структур при воздействии СКИ ЭМИ и анализ возможных механизмов их изменений
3 Исследование и анашз перестройки вольтамперных характеристик
(ВАХ) полевых транзисторов на структуре металл - диэлектрик -
полупроводник (МДП) и определение возможных причин их деградации
4 Анализ поведения простейших цифровых и аналоговых микросхем, из
готовленных по биполярной и МДП - технологиям, при воздействии СКИ
ЭМИ с различной энергией в импульсах
Объекты и методы исследования. В экспериментах по исследованию
влияния мощных СКИ ЭМИ на биполярные структуры исследовались стан
дартные p-n-диоды типа Д 106А, Д 223А и Д 509А, а также маломощные тран
зисторы различного частотного диапазона КТ 630Б, КТ 3107А, КТ 343Б и КТ
347В Характер и степень воздействия оценивались по величине обратного то
ка диодов, обратного коллекторного тока транзисторов и значению коэффици
ента переноса носителей через базу
Эксперименты по исследованию влияния СКИ ЭМИ на полевые МДП -транзисторы проводились с серийными 2П 305Б, КП 305Д, КП 305Е Характер и степень воздействия оценивались по входным и выходным ВАХ транзисторов Для уточненій роли границы раздела диэлектрик - полупроводник в изменении характеристик транзисторов проводились измерения вольтфарадных характеристик (ВФХ) при воздействии СКИ ЭМИ
В экспериментах в качестве источников внешнего воздействия использовались генераторы СКИ ЭМИ, задающие биполярные и однополярные импульсы с частотой следования до 100 кГц Энергия импульсов на выходе генераторов - 2,4x10А Дж, 3,5x10" Дж Длительности импульсов и фронтов имели значения 11,5 не и 1,4 - 3,2 не, 10 не и 0,8 - 1,4 не соответственно
Научная новизна.
-
Резкое возрастание обратного тока р-n переходов при воздействии мощных СКИ ЭМИ на биполярные структуры
-
Смещение входных вольтамперных характеристик полевых транзисторов в результате увеличения плотности поверхностных состоянии на границе раздела дголектрик-полупроводник при воздействии мощных наносекундных импульсов
-
Длительный характер восстановления параметров аналоговых МДП - интегральных схем, зависящих от энергии воздействующего наносекундного импульса
-
Нелинейная зависимость появления функциональных нарушений в работе цифровых и аналоговых микросхем от частоты следования и энергии наносекундного импульса
Научные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся
следующие результаты, впервые полученные в настоящей работе
1 Возникновение обратимого пробоя р-n переходов при воздействии мощных СКИ ЭМИ на биполярные структуры
-
Перестройка вольтамперных характеристик полевых транзисторов в результате увеличения плотности поверхностных состояний на границе раздела ди-электрик-полупроводшж при воздействии мощных наносек>ндных импульсов
-
Достаточно длительное время (104-10 5с) восстановления В АХ МДП - транзисторов после воздействия, приводящее к увеличению сдвига ВАХ с частотой следования СКИ в диапазоне I О2— 105 Гц
-
Длительный характер восстановления параметров аналоговых МДП - интегральных схем, зависящих от энергии воздействующего наносекундного импульса
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы бы
ли представлены в виде докладов и обсуждались на
- XII, XIII Международных научно-техшпеских конференциях «Радиоло
кация, навигация, связь», Воронеж, 2006г, 2007г соответственно,
- 1 Международной конференции «Сверхширокополосные сигналы и
сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике», Суздаль, 2005г
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 - в издании рекомендованным ВАК РФ В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат [1-6] - подготовка к эксперименту, [1-6] - получение экспериментальных данных, [1-6] - анализ экспериментальных данных, [7-10] - предложения по использованию
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введешш, 4 глав и заключения, изложенных на 132 страшщах маппшописного текста, включая 104 рисунка, 3 таблицы и список литературы из 33 наименований
