Нелинейные процессы в усилительных каскадах СВЧ под воздействием интенсивных импульсных помех

Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию методов анализа и синтеза входных устройств, построенных на базе GaAs полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ) [1, 27, 66, 91, 126] и применению данных методов для предсказания и улучшения реальных характеристик помехозащищенности малошумящих усилителей (МШУ).

Актуальность темы

.

Исследования, проводимые в данной работе, направлены на решение проблемы обеспечения помехозащищенности и устойчивого функционирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в условиях помех [2−8]. Резкое усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО) обусловлено непрерывным возрастанием общего числа радиоэлектронных средств (РЭС) и загруженностью освоенных диапазонов, что влечет за собой возрастание общего уровня электромагнитных помех. Если при этом учесть еще несовершенство технических характеристик РЭС и их сосредоточенность на ограниченных территориях, то проблема обеспечения помехозащищенности становится особенно актуальной. Особый интерес данные исследования представляют для разработчиков радиоприемных устройств (РПУ), входящих в комплексы подвижных объектов (кораблей, самолетов) и функционирующих в наиболее сложных помеховых условиях.

Воздействие непреднамеренных и преднамеренных импульсных помех большой амплитуды становится все более существенным фактором функционирования РЭС. В связи с этим необходим анализ, контроль и совершенствование характеристик помехозащищенности радиоэлектронной аппаратуры и ее элементов, функционирующих в условиях такого рода. Поскольку амплитуда импульсных помех, особенно сверхкоротких импульсов (СКИ), может быть много больше амплитуды непрерывных помех, физические механизмы воздействия импульсов на элементы радиоаппаратуры отличаются от непрерывных воздействий, рассматриваемых обычно в рамках проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Соответственно, отличаются и эффекты, наблюдаемые на практике. Проблема обеспечения помехозащищенности РЭС вызывает необходимость изучения данных механизмов и эффектов, что предполагает введение новых характеристик, отличных от характеристик ЭМС и отвечающих сущности воздействия импульсного типа.

Известно, что МШУ входят в число наиболее уязвимых по отношению к воздействию помех элементов радиоаппаратуры [85,86], поскольку они расположены в радиоприемном тракте сразу после приемной антенны и на них воздействуют помехи, принятые антенной. Часто эти помехи напрямую действуют на МШУ, так как в целях повышения чувствительности радиоприемника защитные устройства и фильтры на его входе могут отсутствовать. В настоящее время в качестве МШУ применяются главным образом усилители на основе малошумящих GaAs ПТШ. Все эти обстоятельства побуждают при изучении воздействия импульсных помех на радиоаппаратуру особое внимание уделить воздействиям на GaAs полевые транзисторы как одному из основных факторов поражения радиоаппаратуры.

Последствия импульсных перегрузок ПТШ выражаются в виде катастрофических или некатастрофических, в том числе обратимых, отказов. Чем меньше энергия воздействующих импульсов, тем менее вероятны необратимые отказы, и, следовательно, на первое место выходят обратимые отказы, которые могут играть главную роль даже при кратковременных перегрузках. Примером могут служить приемники радиолокационных станций (PJIC). Периодические зондирующие импульсы от передатчика неизбежно частично просачиваются через защитные устройства и поступают на вход МШУ. Эта мощность, как показывает практика, может достгать величину порядка 100 мет [85, 86, 88] и чаще всего вызывает обратимые отказы, проявляющиеся в ухудшении функциональных параметров МШУ в межимпульсных промежутках, что приводит к снижению чувствительности приемника PJ1C и, соответственно, к снижению дальности ее действия.

В связи с этим при проектировании РЭС, функционирующих в реальной электромагнитной обстановке в присутствии непреднамеренных и преднамеренных помех, актуальной задачей является оценка стойкости радиоаппаратуры и ее элементов к такого рода перегрузкам. С этой целью были проведены исследования деградационных процессов в ПТШ, а так же были разработаны методики и устройства испытаний уязвимых элементов радиоаппаратуры на стойкость к различного рода перегрузкам [89, 90, 93−95]. Здесь под деградацией понимается ухудшение функциональных параметров транзистора (снижению коэффициента усиления, уменьшению тока стока транзистора и др.) в результате импульсных воздействий, с последующим восстановлением этих параметров после его прекращения [93−95].

Недостаточное количество публикаций по данной тематике подтверждает незавершённость существующих исследований. В особенности это относится к воздействиям сверхкоротких видеоимпульсов.

Надо отметить, что исследованиям ПТШ и их моделированию на сегодняшний день посвящено достаточно большое количество публикаций [9−53], освещающих в основном проблемы обеспечения ЭМС и не отражающих должным образом исследуемых в работе вопросов. Так в современных системах схемотехнического проектирования не производится учет деградационных процессов в ПТШ, что делает актуальной практическую задачу усовершенствования существующих методов анализа и расширения применимости моделей ПТШ на исследуемый в диссертации класс процессов.

Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных задач определяет актуальность тематики данной диссертации.

Целыо работы является:

1. Развитие методов анализа нелинейных явлений, возникающих в твердотельных устройствах.

2. Разработка методики и экспериментальной установки для исследования стойкости ПТШ к импульсным воздействиям.

3. Исследование явлений, возникающих в ПТШ под действием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности и их влияния на функциональные параметры транзистора.

4. Развитие методов анализа нелинейных явлений возникающих вследствие импульсных помех для возможности улучшения характеристик помехозащищенности транзисторных усилителей.

Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее целей:

— создать универсальную методику определения параметров нелинейных моделей твердотельных приборов;

— разработать методику и экспериментальную установку для исследования стойкости ПТШ к импульсным перегрузкам;

— разработать методику эксперимента для исследования характеристик деградационных процессов в ПТШ.

— разработать автоматизированный измерительный комплекс для проведения экспериментов по воздействию сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности на GaAs ПТШ;

— исследовать характер поведения GaAs ПТШ под действием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности;

— построить нелинейную модель, позволяющую учесть характеристики деградации ПТШ под воздействием импульсных перегрузок;

Научная повита.

1. Разработана универсальная по отношению к ЭС методика определения параметров структурных моделей твердотельных приборов.

2. Предложена модель позволяющая учесть процессы связанные с обратимой деградацией характеристик ПТШ при проектировании РЭА.

3. Разработана методика измерения и автоматизированный измерительный комплекс для исследования характеристик деградационных процессов в ПТШ под воздействием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности.

4. Впервые получены экспериментальные зависимости тока стока ПТШ при воздействии на него серией сверхкоротких видеоимпульсов субнаносекундной длительности.

5. Дана физическая интерпретация деградационных процессов в ПТШ под импульсными воздействиями.

6. Разработаны методика и экспериментальная установка для отбора ПТШ по заданным критериям стойкости к импульсным перегрузкам.

Практическая ценность.

Использование моделей ПТШ, полученных на основе разработанной методики определения параметров, позволяют повысить точность расчетов.

Методика и экспериментальная установка для исследования стойкости ПТШ к импульсным перегрузкам могут быть использованы для отбора типов или экземпляров ПТШ по заданным критериям стойкости к импульсным перегрузкам.

Автоматизированный измерительный комплекс, методика эксперимента, результаты исследования деградационных характеристик ПТШ под влиянием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности, а также выявленные механизмы данных процессов представляют самостоятельный научный и практический интерес, с точки зрения повышения помехозащищенности приборов.

Предложенная модель и методика определения ее параметров по экспериментальным данным, позволяют учесть деградационные процессы ПТШ при проектировании РЭА.

Результаты диссертации могут быть использованы и при проектировании и других устройств, построенных на базе ПТШ.

Полученные результаты используются в учебном процессе кафедры электроники ВГУ и при разработке изделий в ОАО «Концерн «Созвездие».

Состояние исследуемой проблемы.

В приемниках СВЧ диапазона на входе используются малошумящие усилители, конструктивно выполненные в виде отдельных функциональных блоков, имеющих свой набор параметров и характеристик [128, 129].

В настоящее время в качестве входных усилителей в СВЧ диапазоне наиболее часто используются транзисторные усилители, в частности усилители на полевых транзисторах с затвором Шоттки [1]. Их применение обусловлено высоким коэффициентом усиления и низким коэффициентом шума в сантиметровом и миллиметровом диапазонах [1, 91, 126]. В последние годы появилось значительное число отечественных и зарубежных публикаций, посвященных различным аспектам функционирования СВЧ усилителей на транзисторах в нелинейных режимах работы, а также их моделированию в этих режимов. При этом упор в исследованиях, как правило, делается на повышение адекватности используемых моделей ПТШ и расширения их области применения [11−26].

Если выбор модели, как правило, определяется решаемыми задачами, то проблема идентификации ее параметров, определения наборов констант, характеризующих элементы эквивалентной схемы конкретных типов ПТШ, остается важной и не до конца решенной. Определение параметров моделей обычно производится по экспериментальным данным транзистора или его конструктивным параметрам [58−62]. К основным недостаткам существующих методик идентификации параметров моделей можно отнести то, что они либо жестко привязаны к топологии модели, либо параметры находятся для определенных условий работы транзистора (режим работы транзистора, частотный диапазон, уровень входного сигнала и т. д.) с использованием вычислений или программ, не входящих в пакеты схемотехнического проектирования. Поэтому существует понятная заинтересованность в универсальной методике определения параметров, интегрированной в САПР и исследовании применимости моделей и методов нелинейного анализа для синтеза МШУ.

Любое устройство нельзя считать качественным, если в отсутствии помех оно выполняет свое назначение и не выполняет при наличии помех. Если изделие не удовлетворяет требованиям помехозащищенности, то остальные показатели качества могут потерять значение, поскольку оно не сможет обеспечить прием полезного сигнала. Заметим, что наиболее уязвимой частью РЭС являются входные цепи [85,86]. Поэтому в литературе значительная часть публикаций по теме посвящена моделированию входных МШУ и их оптимизации с целью повышения их помехозащищенности [2−8, 24, 128]. В основном проводится анализ воздействия непрерывных помех, рассматриваемых в рамках задач ЭМС, следствием которых является ухудшение функциональных характеристик прибора во время их действия. Однако, влияние импульсных помех на работу МШУ принципиально отличается от влияния непрерывных воздействий ввиду наличия эффекта последействия, связанного с полупроводниковой структурой транзистора. В этом случае происходит постепенное восстановление характеристик прибора после окончания действия импульсной помехи.

В работах [85, 86] обобщаются известные результаты по изучению явления деградации GaAs ПТШ. При этом рассматриваются, в основном, перегрузки в виде СВЧ-импульсов. Отмечается, что под действием перегрузок в различных областях полупроводниковой структуры происходит образование объемного заряда путем концентрации его на глубоких уровнях. Природа глубоких уровней полуизолирующей подложки хорошо изучена [90−92]: это, прежде всего, донорный уровень EL2 и акцепторный уровень, связанный с примесью хрома, которым подложка легируется в целях получения компенсированного полуизолирующего материала GaAs. Оба эти уровня расположены в середине запрещенной зоны вблизи уровня Ферми. Глубокие уровни под затвором имеют природу поверхностных состояний на границе полупроводника с тонким оксидным слоем, который всегда присутствует в структуре контакта металл-полупроводник [92, 102]. Эти состояния, среди которых имеются как донорные, так и акцепторные, непрерывно распределены по энергиям в пределах запрещенной зоны [92]. Глубокие уровни под затвором могут появляться также в результате дефектов, вызванных диффузией металла в полупроводник [89].

При исследовании процессов связанных с накоплением заряда на глубоких уровнях возникает проблема выбора критериальных параметров для количественной оценки видеоимпульсных воздействий. Среди них известна концепция джоулевой энергии [130], когда определяется энергия, выделяющаяся в объекте воздействия. При этом должен быть определен максимум энергии, который может быть выделен в объекте при заданном воздействии и ее минимум, необходимый для деградации чувствительного к данному воздействию элемента. При реальных испытаниях обычно известна энергия, излучаемая генератором помехи. Энергия, поглощаемая объектом, неизвестна и должна быть каким-то образом оценена. Это — сложная задача, поскольку поглощаемая энергия зависит от множества факторов, включая геометрию испытуемых цепей, ориентацию их в пространстве, экранировку и т. д.

Поэтому для количественной характеристики импульсных воздействий часто используют более простые параметры, например джоулеву энергию излучаемых импульсов пиковая мощность (излучаемая или поглощаемая), пиковое номинальное напряжение генератора или пиковые напряжения и токи, наводимые в цепях объекта воздействия.

Как было отмечено, эффекты последействия связанные с полупроводниковой структурой транзистора не учитываются в современных системах схемотехнического проектирования. Это делает актуальным разработку и внедрение в них модели с учетом вышеописанных эффектов при проектировании РЭА.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ применимости структурных моделей полевых транзисторов и их методов анализа в условиях импульсных перегрузок.

Предложена методика определения параметров моделей твердотельных устройств по экспериментальным данным, в качестве которых могут выступать различные характеристики, например вольтамперные, передаточные характеристики, линейные параметры, снятые для различных режимов работы, характеристики блокирования, интермодуляции и др. Определение параметров происходит в несколько этапов. На первом этапе создаются схемы компьютерного эксперимента, воспроизводящие схемы измерения экспериментальных данных, по которым определяются параметры модели. При этом параметры модели выносятся в отдельный блок, и подставляются в ЭС модели каждой из схем компьютерного эксперимента. На втором этапе вводится целевая функция как квадрат разности значений рассчитываемых и экспериментальных характеристик. Далее проводится процедура многопараметрической оптимизации, в процессе каждой итерации которой происходит варьирование параметров модели, их подстановка в ЭС схем компьютерного эксперимента и приближение расчетных характеристик каждой из схем к экспериментальным одновременно. После того как разница между рассчитываемыми и экспериментальными характеристиками станет меньше заданной погрешности, оптимизации окончательные значения параметров модели принимаются равными параметрам последней итерации.

Достоинством такого подхода является: универсальность по отношению к эквивалентной схеме моделивозможность использовать различные экспериментальные данные для определения параметровпростота реализации методики в системах схемотехнического проектирования.

Рассмотрена процедура идентификации параметров на примере модели Materka, для транзистора малой мощности, и модели Mosnl4, для транзистора средней мощности. На основе полученных моделей в среде Microwave Office были рассчитаны передаточные характеристики транзисторных усилителей. При сопоставлении полученных коэффициентов компрессии по уровню 1 дБ с экспериментальными было получено их хорошее соответствие. Так же показано, что модели, полученные с помощью разработанной методики, позволяют учитывать и другие нелинейные эффекты (блокирование, интермодуляционные искажения, детекторный эффект).

Для исследования эффекта детектирования было проведено моделирование МШУ на ПТШ. При подаче импульсных воздействий на его входную цепь наблюдался эффект последействия. Был выяснен механизм данного процесса: емкости во внешних цепях затвора и стока заряжаются продетектированным током импульсной серии во время действия импульсаво время пауз между импульсами происходит их постепенный разряд через выходное сопротивление источника питания.

Так же было показано, что для учета эффекта последействия, связанного с обратимой деградацией характеристик ПТШ при импульсных перегрузках необходима доработка его ЭС.

Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованию процессов в ПТШ при воздействии видеоимпульсных перегрузок. Для этого был разработан метод испытаний ПТШ на подверженность обратимым отказам, а также экспериментальная установка для испытаний на основе этого метода.

Суть эксперимента заключается в воздействии на исследуемый образец одиночными видеоимпульсами различной амплитуды и полярности и их сериями. Наблюдаемой величиной является ток стока ПТШ, интенсивность изменения которого, а также динамика восстановления являются основными показателями стойкости транзистора.

Были проведены эксперименты с несколькими типами отечественных и зарубежных транзисторов и выяснены основные закономерности обратимых отказов ПТШ. В общем случае процесс восстановления тока стока /С1 после импульсного воздействия состоит из двух характерных частей, описываемых существенно различными постоянными времени:

— Быстрая релаксация в течение времени At. Для разных типов и экземпляров транзисторов величина времени A/t может составлять от одной до десятков мкс.

— Медленная релаксация в течение времени At2, представляющая собой весьма растянутый во времени процесс до полного восстановления первоначального значения /ст. Время At2 этого процесса сильно зависит от типа транзистора.

Показано, что основным механизмом обратимой деградации ПТШ под действием импульсных перегрузок во входной цепи является увеличение толщины объемного слоя на границе канал/подложка вследствие заполнения электронами глубоких уровней полуизолирующей GaAs подложки. Под действием входных перегрузок накопление объемного заряда в подложке происходит при воздействии на затвор ПТШ напряжения отрицательной полярности, абсолютная величина которого превышает напряжение отсечки.

Главной особенностью периодического воздействия по сравнению с воздействием одиночного импульса является наличие кумулятивного эффекта, в силу которого глубина деградации, достигаемая под действием периодических импульсов, может быть значительно больше, чем при одиночном импульсе той же амплитуды и длительности. Кумулятивный эффект приводит к тому, что действие периодических СВЧ-импульсов близко по своему эффекту к действию периодических видеоимпульсов, так что с помощью периодических видеоимпульсов можно воспроизвести условия деградации ПТШ, имеющие место под действием СВЧ-импульсов.

На основе разработанной методики можно производить тестирование ПТШ с целью оценки их стойкости к обратимым отказам в условиях импульсных перегрузок или же с целью отбора типов или экземпляров ПТШ по критериям, связанным с конкретными приложениями.

В третей главе исследовались деградационные процессы в малошумящих полевых транзисторах под действием субнаносекундных видеоимпульсов, подаваемых на выводы транзисторов контактным путем. Поскольку наиболее вероятным на практике является поступление помех по входным цепям, то изучалось действие импульсов в цепи затвор-исток. Для этого был разработан автоматизированный измерительный комплекс, позволяющий проводить испытания ПТШ на стойкость. Основным достоинством данного измерительного комплекса является гибкость, которая позволяет его легко совершенствовать и модифицировать, поскольку каждая часть представляет собой отдельный блок, а так же встроенный в программу управления язык команд, с помощью которого осуществляется планирование и проведение эксперимента. Такой подход дает возможность расширения исследований на другие типы транзисторов и прочие полупроводниковые приборы. Автоматизация измерений обусловлена тем, что исследуемые процессы обладают временем восстановления, которое может достигать значений от десятка мс до нескольких часов в зависимости от параметров импульсного воздействия.

В ходе экспериментов было выявлено, что основное поражающее действие оказывают видеоимпульсы отрицательной полярности, которые по величине превосходят напряжение отсечки. После запуска импульсной серии каждый отрицательный импульс приводит к последовательному снижению величины тока стока /ст, что свидетельствует о кумулятивном эффекте, который заключается в сложении результатов воздействия отдельных импульсов, так что общее уменьшение величины /ст за время экспозиции Т) Ш1 значительно превышает изменение тока стока в результате действия отдельного импульса. Во время действия импульсной серии среднее значение величины /ст, уменьшаясь, стремиться к некоторому стационарному значению, зависящему от амплитуды импульсов и периода их следования. Таким образом, кумулятивный эффект обладает свойством насыщения. Это свойство определяет время экспозиции, превышение которого не приводит к дальнейшему развитию деградационного процесса. По завершении серии происходит медленное восстановление /ст до исходного значения /ст0.

Эффекты, наблюдаемые в ПТШ под воздействием СКИ большой амплитуды, обладают большим временем восстановления, по сравнению с эффектами, рассматриваемыми во второй главе. Исходя из этого, кроме изменения толщины объемного слоя на границе канал/подложка ПТШ должны проявляться механизмы, связанные с накопление заряда в других областях полупроводниковой структуры. Таким механизмом длительной деградации ПТШ, при высоких значениях амплитуды, может быть аккумулирование отрицательного заряда в диэлектрике, покрывающем поверхность GaAs в промежутках затвор-сток и затвор-исток. Суть предполагаемого эффекта заключается в том, что в области лавинного размножения носителей в поверхностном слое GaAs возникает большое количество разогретых электронов, имеющих энергию, достаточную для туннелирования на ловушки диэлектрика или для инжекции в диэлектрик с последующим захватом на ловушки. С рассмотренными эффектами границы канал-диэлектрик может быть связана наблюдаемая в эксперименте обратимая деградация ПТШ с временем восстановления порядка десятков минут и более. Наличием двух рассмотренных областей накопления заряда при воздействии на вход ПТШ СКИ с амплитудой, превышающей напряжение пробоя, может быть объяснено наличие наблюдаемых в эксперименте двух стадий процесса восстановления ПТШ с существенно различной продолжительностью, связанных с релаксацией заряда на границе канал-подложка (порядка секунды и менее) и с релаксацией заряда границы канал-диэлектрик (десятки минут и более).

В четвертой главе рассматриваются решение проблемы моделирования эффектов обратимой деградации GaAs ПТШ под действием периодических последовательностей субнаносекундных видеоимпульсов и характеристики помехозащищенности МШУ по отношению к таким помехам. Предложен метод учета этих эффектов в системах автоматизированного схемотехнического проектирования, а так же предложен параметр, характеризующий помехозащищенность МШУ на GaAs ПТШ в условиях действия импульсных помех.

Для моделирования обратимой деградации характеристик ПТШ предложено использовать дополнительную модель, подключенную к затвору, которая влияет на поведение канала транзистора, посредством введения дополнительного напряжения затвор — исток в зависимости от входного воздействия.

Показано, что величина тока стока под воздействием отрицательных импульсов определяется двумя факторами противоположного действия: кратковременным эффектом воздействия положительных выбросов напряжения на затворе за счет реактивных элементов в схеме эксперимента, которые увеличивают ток стока, и действия отрицательных составляющих импульсов, которое уменьшает ток. Это дает возможность выделить блоки в модели, описывающие эффекты положительных и отрицательных импульсов раздельно. В каждом из блоков использовались ветви модели Хаммерштейна, каждая из которых включала линейный блок с памятью и нелинейный блок без памяти. Так для описания воздействия отрицательных импульсов, первая ветвь моделировала поведение канала транзистора во время, а вторая — после воздействия. В блоке, описывающем воздействие положительных импульсов, было предложено использовать одну ветвь с нелинейным блоком на выходе.

Параметры полученной модели были найдены по значениям экспериментальных зависимостей тока стока, для которых выбросы за счет реактивных элементов в схеме экспериментальной установки не оказывали действия. Были рассчитаны зависимости тока стока от времени, для различных периодов следования импульсов. При сопоставлении результатов было получено их хорошее соответствие с экспериментом.

На основе разработанной математической модели в пакете схемотехнического проектирования Ansoft Designer была построена ее схемная реализация, которая совместно с моделью, представленной в главе 1, может быть использована для учета эффектов обратимой деградации ПТШ в системах схемотехнического проектирования.

Результаты работы позволили ввести параметр обратимой деградации, дающий количественную характеристику этого эффекта.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты.

Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:

• Универсальная по отношению к ЭС методика определения параметров структурных моделей твердотельных приборов.

• Методика измерения и экспериментальная установка для определения восприимчивости ПТШ к перегрузкам импульсами произвольной длительности.

• Методика эксперимента и автоматизированный измерительный комплекс для исследования характеристик деградационных процессов в ПТШ под воздействием сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности.

• Экспериментальные зависимости деградационных характеристик ПТШ от энергетических и структурных параметров импульсных воздействий.

• Выявленные физические механизмы обратимой деградациии ПТШ под импульсными воздействиями.

• Аналитическая модель ПТШ, учитывающая процессы обратимой деградации ПТШ под импульсными воздействиями.

Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

VIII, IX, X, XI, XII Международных научно — технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь», Воронеж, 2002, 2003, 2004, 2005,2006 г., соответственно;

5, 6 Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2003, 2005 г., соответственно;

10-й Международной научно-технической конференции Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники ПЭМ2006, Дивноморское, 2006 г;

Научных сессиях Воронежского государственного университета, г. Воронеж, 2002,2003,2004, 2005, 2006 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах [29, 63−65, 69, 70, 82−84, 94, 95, 105, 113, 121−123].

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 130 наименований. Объем диссертации составляет 178 страниц, включая 113 страниц основного текста, 75 рисунков на 50 страницах, 14 страниц списка литературы и 1 страницы приложения.

18. Результаты работы позволили ввести параметр обратимой деградации, дающий количественную характеристику этого эффекта.

Заключение

.

1. Проанализированы нелинейные модели полевых транзисторов СВЧ диапазона, а так же современные методы анализа нелинейных схем и их применимость. Показано, что для учета эффекта последействия, связанного с обратимой деградацией характеристик ПТШ при импульсных перегрузках необходима доработка его ЭС.

2. Разработана универсальная по отношению к ЭС методика, позволяющая определять параметры структурных моделей твердотельных приборов по экспериментальным данным.

3. Показано, что модели, полученные с помощью разработанной методики, позволяют учитывать нелинейные эффекты (компрессию, блокирование, интермодуляцию, детекторный эффект) при моделировании транзисторных усилителей. При этом наблюдается хорошее соответствие с экспериментом.

4. Решена задача формирования амплитудно-частотной характеристики усилителя, работающего при высоком уровне входного сигнала с применением предложенной методики.

5. Показано, что воздействие импульсных помех на МШУ может приводить к изменению рабочего режима транзистора с выраженным последействием за счет эффекта детектирования.

6. Разработаны методика и экспериментальная установка, позволяющие проводить исследования деградационных процессов в ПТШ под действием импульсных перегрузок.

7. Показано, что основным механизмом обратимой деградации ПТШ под действием импульсных перегрузок во входной цепи является увеличение толщины зарядного слоя на границе канал/подложка вследствие заполнения электронами глубоких уровней полуизолирующей GaAs подложки. Под действием входных перегрузок накопление объемного заряда в подложке происходит при воздействии на затвор ПТШ напряжения отрицательной полярности, абсолютная величина которого превышает напряжение отсечки.

8. Действие перегрузок в виде периодических коротких импульсов обладает свойством накопления эффекта (кумулятивный эффект), следствием чего может быть заметная деградация ПТШ, несмотря на малую длительность отдельных импульсов.

9. Предложена методика отбора образцов ПТШ по заданному критерию стойкости. При этом критерий отбора основан на сравнении тока стока до и во время воздействия периодической серией импульсов.

10. Разработан автоматизированный измерительный комплекс для исследования характеристик деградации под воздействием СКИ субнаносекундной длительности.

11. Показано, что видеоимпульсы положительной полярности, действующие на входную цепь ПТШ, не вызывают эффектов деградации с длительным восстановлением. При воздействии на ПТШ двухполярных импульсов фактором долговременных обратимых отказов являются отрицательные составляющие этих импульсов.

12. При импульсных воздействиях отрицательной полярности, амплитуда которых превышает напряжение отсечки, основным механизмом обратимой деградации ПТШ является накопление заряда на глубоких уровнях в области канал/подложка. С повышением амплитуды могут проявляться другие механизмы, связанные с областями лавинного размножения заряда между затвором стоком и затвором истоком.

13. Изменение величины тока стока в процессе деградации и время восстановления ПТШ зависят от амплитуды и периода импульсного воздействия. При этом существует определенный порог амплитуды импульсов, превышение которого приводит к выраженным явлениям деградации.

14. Кумулятивный эффект обладает свойством насыщения. Это свойство определяет время экспозиции, превышение которого не приводит к дальнейшему развитию деградационного процесса.

15. Разработана математическая модель, которая позволяет учесть обратимые деградационные процессы в ПТШ, возникающие при воздействии импульсных перегрузок.

16. Разработана методика определения параметров полученной модели по экспериментальным характеристикам.

17. На основе математической модели в пакете схемотехнического проектирования Ansoft Designer была построена ее схемная реализация, которая совместно с моделью, представленной в главе 1, может быть использована для учета эффектов обратимой деградации ПТШ в системах схемотехнического проектирования.