Воздействие сверхкоротких импульсных перегрузок на полевые транзисторы и цифровые схемы

Работа посвящена исследованию воздействия сверхкоротких импульсных перегрузок на электронные схемы, выполненные на полевых транзисторах: СаАэ транзисторы с затвором Шоттки (ПТШ) и МОП-транзисторы (структуры металл-оксид-полупроводник). Методами численного моделирования с помощью симулятора полупроводниковых структур было исследовано воздействие импульсных перегрузок на ваАэ полевые транзисторы с затвором Шоттки. Выявлены физические механизмы, обуславливающие длительные переходные процессы в ПТШ под действием электрической перегрузки по затвору. Длительность этих процессов определяется статистикой перезарядки глубоких уровней в ваАз и может составлять десятки минут. Экспериментально и с помощью схемотехнического моделирования было исследовано воздействие сверхкоротких импульсов на МОП-транзисторы. Исследовались переходные процессы в усилителях (схема общий исток) на МОП-транзисторах различных типов. Показано, что сверхкороткие импульсы вызывают переходные процессы. Однако эти процессы не связаны со специфическими изменениями в полупроводниковой структуре транзисторов как в случае ваАэ ПТШ, а обусловлены усилительными свойствами транзисторов и параметрами внешних цепей. Несмотря на большие амплитуды, СКИ не приводили к необратимым изменениям параметров транзисторов. Это объясняется кратковременностью действия электрической перегрузки и специфической проявления дефектов в подзатворном диэлектрике, наличие которых трудно обнаружить, пока их концентрация не достигнет критического уровня. Тем не менее, помехи в виде СКИ способны нарушать работу аналоговых схем на полевых транзисторах, а также вызывать сбои в цифровых схемах КМОП-логики. Экспериментально наблюдались переключения триггеров и счётчиков под действием СКИ по тактовому входу. В результате исследования устойчивости триггеров Шмитта к импульсным перегрузкам, было показано, что воздействие СКИ можно свести к изменению передаточной характеристики триггера, выражающимся в сужении зоны неопределённости. Это важный параметр, определяющий регенеративные свойства триггера. Триггеры Шмитта в значительной степени обуславливают помехоустойчивость цифровых схем, поэтому их восприимчивость к СКИ может играть ключевую роль при анализе электромагнитной совместимости цифровых систем и радиосистем, излучающих сверхкороткие импульсные сигналы.

Актуальность работы.

Научно-технический прогресс условно можно представить как совокупность некоторых этапов или периодов. Появление новых идей, открытий, изобретений даёт начало очередному этапу развития технологий. Однако наряду с новыми возможностями возникают и новые проблемы, связанные как непосредственно с использованием этих возможностей, так и с дальнейшим их развитием. К концу каждого периода технологии достигают предела, который определяется совокупностью неразрешённых проблем. Эти проблемы являются сдерживающим фактором, ограничивающим экстенсивное развитие. Они побуждают искать новые решения, создавая предпосылки для перехода к интенсивному развитию и следующей ступени прогресса как в конкретной области знания, так и в науке в целом.

В последние десятилетия бурно развивались электронные технологии, особенно направления цифровой электроники и радиотехники. К настоящему времени уже успели сформироваться некоторые проблемы, препятствующие дальнейшему развитию этих технологий. Это вопросы создания качественно новой элементной базы (например, квантовых микропроцессоров), перехода к нанотехнологиям, совершенствования методов беспроводной передачи данных и т. д. Мы уделим внимание проблеме, в той или иной степени касающейся всех перечисленных направлений, — это вопрос стойкости полупроводниковых приборов к импульсным перегрузкам.

Ещё на заре развития электронной техники учёные могли сталкиваться с проблемой мощных импульсных помех, источником которых выступали разряды атмосферного электричества — молнии. Но электронные технологии в то время были мало распространены по сравнению с сегодняшним уровнем, и проблема электромагнитной совместимости ещё не была актуальной. Ввиду низкой плотности передаваемой по радиоканалам информации и высокой стойкости ламповой электроники к электроперегрузкам проблема атмосферных помех воспринималась как некоторое неудобство, действие сил природы, с которыми следует смириться. Сегодня плотность информации, передаваемой в радиодиапазоне, крайне велика. Однако, несмотря на различные технологические ухищрения, до сих пор не удалось полностью исключить воздействие разрядов атмосферного электричества на современные радиосистемы. Разряд молнии порождает широкополосный электромагнитный импульс, перекрывающий многие радиовещательные каналы и способный порождать помехи в эфире даже на противоположной стороне земного шара. В этом плане является перспективной технология сверхширокополосной связи, позволяющая передавать информацию, подобно молнии распределяя энергию сигнала по широкому спектру частот. Избыточная информация в спектре такого сигнала позволит приёмнику восстановить сообщение, несмотря на потери в спектральных линиях поглощения или в результате интерференции помех.

Во временной области сверхширокополосный сигнал представляется сверхкоротким импульсом (СКИ). Это импульс субнаносекундной длительности. Мы будем рассматривать сверхкороткие видеоимпульсы, т. е. импульсы без СВЧ заполнения. Применение сигналов в виде СКИ перспективно в радиолокации [23, 25] (известно, что чем короче зондирующий импульс, тем точнее измерение координат и скорости цели). Однако в связи с этим обостряется проблема электромагнитной совместимости, поскольку наряду с атмосферными помехами на радиоэлектронную аппаратуру действуют сверхширокополосные электромагнитные импульсы систем радиолокации и связи. Но проблема не исчерпывается искажением передаваемой информации: мощные электромагнитные импульсы могут приводить к явлениям необратимой и обратимой деградации характеристик полупроводниковых структур [4,5,21]. 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 ОаАэ полевом транзисторе с затвором Шоттки (ПТШ) [5, 2, 3, 27].

В общем случае помехи в виде СКИ могут воздействовать на все элементы радиоэлектронного оборудования [21]. Электромагнитное излучение источников сверхширокополосных сигналов и помех наводит электрические импульсы на линиях передач, кабелях питания, сигнальных шлейфах, дорожках печатных плат. Широкий спектр СКИ обуславливает высокую проникающую способность импульсов даже через технологические отверстия экранирующих корпусов оборудования [5]. В связи с этим представляет интерес воздействие СКИ не только на приёмный тракт, но и на блок цифровой обработки сигналов [63, 12], в котором, как правило, широко используются МОП-транзисторы [10, 6]. Область применения МОП-транзисторов обширна, поэтому при внедрении сверхширокополосных технологий важно обеспечить устойчивость схем на МОП-транзисторах к воздействию сверхкоротких импульсных помех.

Цель работы.

Целью настоящей работы было выявление механизмов возможных сбоев аналоговых, цифровых и гибридных схем на полевых транзисторах под действием сверхкоротких электрических перегрузок, а также разработка экспериментальных методов оценки стойкости полупроводниковых приборов к воздействию сверхкоротких импульсов.

В связи с поставленной целью в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать природу длительных переходных процессов в малошумя-щем усилителе, выполненном на ОаАв ПТШ, при воздействии импульсных перегрузок.

2. Оценить теоретически и экспериментально стойкость аналоговых и цифровых схем на МОП-транзисторах к воздействию сверхкоротких импульсных перегрузок.

3. Разработать методы экспериментального определения критериев 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.

В настоящей работе получены следующие результаты, обладающие новизной:

1. Выявлены отличия в динамике перезарядки областей объёмного заряда ваАз ПТШ, обуславливающие длительные процессы восстановления тока стока транзистора после действия импульсной перегрузки.

2 Исследован механизм воздействия импульсных перегрузок на МОП-транзисторы в схемах инвертирующих усилителей.

3. Проведена оценка стойкости цифровых схем КМОП-логики: микросхем триггеров Шмитта и счётных Т-триггеров к воздействию СКИ.

4. Предложены модели воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющие рассчитывать переходные процессы.

5. Разработаны экспериментальные установки для исследования воздействия СКИ на полупроводниковые приборы.

6. Предложены методы экспериментальной оценки стойкости полупроводниковых приборов к воздействию сверхкоротких импульсных помех и перегрузок.

Достоверность результатов диссертации.

Достоверность результатов диссертационной работы определяется и подтверждается корректным применением математических методов, соответствием известным фундаментальным теоретическим представлениям и непротиворечивостью с исследованиями других авторов по данной тематике, корректной постановкой эксперимента и интерпретацией результатов измерений, согласованием результатов эксперимента с результатами компьютерного моделирования.

Личный вклад.

Личный вклад определяется выбором объектов исследованияпостановкой и проведением экспериментовразработкой и изготовлением измерительных установок и модулейнаписанием компьютерных программ, расширяющих возможности стандартного программного обеспечения и осуществляющих обработку экспериментальных данныханализом и интерпретацией экспериментальных результатовпроведением теоретических исследований.

Практическая ценность работы.

1. Выявлены причины возникновения сбоев в реальных электронных схемах на полевых транзисторах (ОаАэ ПТШ и МОПТ) под действием сверхкоротких импульсных перегрузок.

2. Показано влияние концентрации примеси хрома в арсениде галлия на характер и длительность процесса восстановления тока стока полевого транзистора с затвором Шоттки после снятия перегрузки. От этого зависит стойкость транзистора к воздействию импульсных перегрузок.

3. Предложены модели воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющие оценивать и рассчитывать переходные процессы.

4. Предложены схемы измерительных установок и методы экспериментального определения стойкости полупроводниковых приборов (аналоговых, цифровых и гибридных) к сверхкоротким импульсным помехам и перегрузкам.

Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены и докладывались на:

XIII, XIV, XV, XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» г. Воронеж в 2007, 2008, 2009, 2010 годах соответственно.

VII Международная научно-техническая конференция, посвященная 150-летию со дня рождения A.C. Попова «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 2007.

VIII Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и экологии, г. Санкт-Петербург, 2009.

Научных сессиях Воронежского государственного университета с 2007 г. по 2011 г.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Модель GaAs ПТШ, позволяющая рассчитывать длительные переходные процессы, вызываемые импульсными электрическими перегрузками.

2. 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.

3. Модель воздействия сверхкоротких импульсных перегрузок на МОП-транзисторы, позволяющая оценить параметры и вид переходных процессов в схемах усилителей на МОП-транзисторах.

4. 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 воздействия СКИ на интегральные триггеры Шмитта КМОП-логики, показавшие, что под действием электрической перегрузки сужается зона неопределённости триггера Шмитта и, соответственно, ухудшается помехоустойчивость цифровых схем, в которых эти триггеры используются для регенерации и генерации цифровых сигналов.

6. 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.

5. Схемы измерительных установок и методы экспериментального определения стойкости усилителей на МОП-транзисторах, триггеров Шмитта и счётных триггеров к воздействию СКИ.

Публикации.

По теме диссертационной работы было опубликовано 14 научных работ [38−51], из них 5 [38, 40, 41, 45, 46] в профильных периодических научных изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для публикации основных результатов докторских диссертаций.

Внедрение научных результатов.

Научные результаты, полученные в ходе настоящего диссертационного исследования, использованы в научно-исследовательской работе «Диффузия-К-ВГУ» (государственный контракт № 64 019/36−06).

Состояние исследуемой проблемы.

Опубликовано достаточно много работ по воздействию на полупроводниковые приборы СВЧ-излучения [2−5, 33, 63] и электрических перегрузок [21, 67−69, 71, 66, 74, 13]. Однако, как правило, рассматривается необратимая деградация характеристик приборов под воздействием длительных перегрузок, в то время как сверхкороткие импульсы ввиду своей малой длительности могут приводить к специфическим явлениям обратимой деградации, представляющим как теоретический, так и практический интерес ввиду возможности появления сбоев полупроводниковых приборов при относительно малых энергиях воздействия. Сверхкороткие электромагнитные импульсы с большими пиковыми значениями мощности могут быть использованы в качестве средства радиоэлектронного подавления [1, И, 60]. Очевидно, в этой связи и в связи с тем, что в радиотехнике сверхкороткие импульсы стали применяться недавно, литература по данной тематике трудно доступна. Можно отметить работы [1, 12, 54, 7, 57, 52, 24]. Несомненна важность исследования сверхкоротких импульсных перегрузок и импульсных помех для развития науки и техники, поскольку сверхширокополосные сигналы открывают новые перспективы и технические возможности [18, 23]. Настоящая диссертационная работа призвана восполнить недостаток экспериментальных данных и теоретических работ по данной тематике.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 80 наименований. Общий объём диссертации составляет 200 страниц, включая 58 страниц иллюстраций и 10 страниц приложений.

Выводы.

1. Экспериментально показано, что помехи в виде СКИ по цепям тактирования могут переключать синхронные триггеры, следовательно, вызывать логические сбои в синхронных цифровых схемах.

2. Воздействие СКИ на цифровую схему может быть сведено к анализу импульсов, формируемых входным буфером схемы. Эти импульсы должны иметь достаточную амплитуду и длительность для переключения логических элементов схемы.

3. Воздействие СКИ на цифровые схемы обладает кумулятивным эффектом: по мере воздействия и с увеличением частоты следования импульсов вероятность сбоя повышается. Этот эффект можно объяснить увеличением пикового напряжения импульсов, формируемых входным каскадом на ёмкостной нагрузке.

4. Предложена схема измерительной установки и методика определения критических параметров воздействия (амплитуды, длительности и частоты следования СКИ), при которых велика вероятность сбоя.

Заключение

.

1. Выявлены механизмы длительных переходных процессов, происходящие в СаАв ПТШ реальных МШУ под действием электрической перегрузки по входу, которые грозят изменением рабочего режима и характеристик транзистора и могут привести к неработоспособности МШУ и временному выходу его из строя.

2. Посредством моделирования показано, что процесс восстановления тока стока ПТШ после снятия перегрузки сильно зависит от концентрации примеси хрома и проходит в две стадии: быструю и медленную, которые обусловлены специфическим пространственным перераспределением заряда глубоких уровней.

3. Медленная и быстрая стадии восстановления тока стока ПТШ связаны с релаксацией зарядов глубоких уровней хрома подложки, наведённых полем перегрузки. Подзатворная область подложки вблизи канала заряжается положительно, а остальной объём подложки — отрицательно.

4. Перезарядка указанных областей подложки описывается в рамках статистики тепловой генерации и рекомбинации носителей Шокли-Рида-Холла и характеризуется различными постоянными времени. Избыточный положительный заряд подзатворной области быстро накапливается под действием перегрузки и медленно релаксирует после её снятия. Для отрицательного заряда остального объёма подложки ситуация диаметрально противоположная: медленное накопление и быстрая релаксация.

5. Быструю стадию восстановления тока стока можно рассматривать как интенсивную помеху, а медленная стадия, когда значение тока превышает начальный уровень, способна на долгое время ухудшить шумовые и усилительные характеристики МШУ и потенциально привести к его перегреву и выходу из строя. Эффект увеличения тока стока будет прогрессировать при воздействии серии импульсов перегрузки.

6. В результате анализа физики МОП-структур показано, что импульсные перегрузки могут изменять вольтамперные характеристики транзисторов, в частности напряжение отсечки, что важно для цифровых схем, а также увеличивать ток утечки через подзатворный диэлектрик.

7. Предложена модель воздействия СКИ на полевые транзисторы, позволяющая рассчитывать переходные процессы как в аналоговых, так и цифровых схемах.

8. Переходные процессы во входных каскадах на МОП-транзисторах аналоговых, цифровых и гибридных схем, происходящие под действием СКИ обуславливают сбои радиоэлектронного оборудования.

9. Помехи в виде СКИ изменяют пороговые напряжения интегрального триггера Шмитта КМОП-логики, сужая его зону неопределённости, что может обуславливать появление сбоев в цифровых схемах, в которых триггеры Шмитта используются для регенерации и генерации цифровых сигналов.

10. Возможны 3 механизма данного эффекта:

1) переходные процессы в МОП-транзисторах схемы триггера, подобные тем, что были рассмотрены во второй главе;

2) изменение характеристик МОП-транзисторов под действием электрической перегрузки;

3) влияние диодной защиты на входе микросхем триггеров, которая, однако, оказывается неспособной сильно ограничить амплитуду СКИ.

11. Экспериментально показано, что помехи в виде СКИ по цепям тактирования могут переключать синхронные триггеры, следовательно, вызывать логические сбои в синхронных цифровых схемах.

12. Воздействие СКИ на цифровую схему может быть сведено к анализу импульсов, формируемых входным буфером схемы. Эти импульсы должны иметь достаточную амплитуду и длительность для переключения логических элементов схемы.

13. Воздействие СКИ на цифровые схемы обладает кумулятивным эффектом: по мере воздействия и с увеличением частоты следования импульсов вероятность сбоя повышается. Этот эффект можно объяснить увеличением пикового напряжения импульсов, формируемых входным каскадом на ёмкостной нагрузке.

14. Предложены схемы измерительных установок и методы определения критических параметров воздействия (амплитуды, длительности и частоты следования СКИ), при которых велика вероятность появления логических сбоев в цифровых схемах КМОП-логики, содержащих триггеры Шмитта и синхронные триггеры.

15. Проведённое исследование имеет фундаментальное значение, поскольку раскрывает физику воздействия импульсных перегрузок на полупроводниковые приборы, и прикладное, поскольку позволяет оценивать стойкость реальных транзисторных схем к воздействию помех в виде сверхкоротких импульсов больших и малых амплитуд.