Введение к работе
Актуальность проблемы. Постоянное повышение требований к качеству и надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) определяет необходимость разработки и совершенствования методов и средств неразрушающего контроля (МНК) качества изделий электронной техники (ИЭТ). Задача разработки и повышения эффективности МНК состоит не только в установлении аналитической или корреляционной связи между дефектами прибора и информативным параметром, но и в определении оптимальных режимов измерения этого параметра.
За последнее десятилетие в работах Г.Б. Сердюка, Г.П. Жигальского, М.И. Горлова, А.В Якимова и др. активное развитие получили МНК ИЭТ по электрическим шумам и эффектам нелинейности. Интерес к этим методам обусловлен тем, что они достаточно универсальны и эффективны, поскольку шумы и нелинейности ВАХ присущи всем элементам и несут информацию о разнообразных дефектах. Эти методы получили широкое экспериментальное подтверждение на различных классах пассивных элементов: тонкопленочных резисторах, МДП-структурах, контактных соединениях и диодах Шоттки.
Особое место среди полупроводниковых приборов занимают мощные биполярные ВЧ и СВЧ-транзисторы. Они широко применяются в современной РЭА различного назначения и остаются при этом наименее надежными электронными компонентами, поскольку работают в жестких тепловых и электрических режимах. При этом предельные функциональные возможности и надежность даже бездефектных приборов, во многом определяются эффектами неоднородного, а при некоторых режимах, и неустойчивого распределения плотности тока, мощности и температуры в приборных структурах.
В работах А. Ван дер Зила, Мак - Уортера, Л.П. Карбы, Ю.С. Карпова, B.C. Пряникова, А.К. Нарышкина, В.М. Придорогина, А.А. Широкова и др. показано, что источником информации о качестве мощных биполярных транзисторов (МБТ) является собственный шум приборов. Однако, в указанных работах шумовые свойства МБТ рассматривались без учета конструкционно-топологических особенностей современных ВЧ и СВЧ транзисторов и эффектов неоднородного токораспре-деления в приборных структурах. Для повышения эффективности МНК по шумам необходимо сформулировать требования к измерительной аппаратуре и организации процесса измерения, позволяющие минимизировать погрешности измерения шумовых параметров с учетом того, что МБТ является активным и существенно нелинейным элементом, а при изменении режима измерения меняются и коэффициент усиления транзистора и параметры его эквивалентной шумовой схемы.
Методы и средства диагностики МБТ по эффектам нелинейности развиты в работах В.Л. Аронова, Б.С. Кернера, В.Ф. Синкевича, А.Н. Рабодзея, А.Я. Квурта, Н.Л. Миндлина, М.И. Горлова, D. Navon, D.L. Blackburn, F.F. Oettinger, О. Mueller и др. Косвенные методы оценки неоднородного токораспределения по эффектам нелинейности достаточно трудоемки. Автоматизированные методы имеют невысокую чувствительность и позволяют выявлять дефектные приборы лишь в режимах с резко неоднородным токораспределением, при которых изделие подвергается запредельным энергетическим воздействиям, что ограничивает применение этих методов в производственных условиях.
Цель и задачи исследования - повышение достоверности и эффективности не-разрушающего контроля качества мощных биполярных ВЧ и СВЧ транзисторов по шумовым и малосигнальным параметрам путем повышения точности и чувствительности методов и средств измерения указанных параметров.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Определить предельные возможности повышения точности измерения па
раметров низкочастотного (НЧ) шума со спектром типа 1/ fY путем учета влияния
показателя в частотной зависимости спектра шума на методические погрешности измерения параметров НЧ шума.
На основе синтеза двухсекционной эквивалентной шумовой схемы мощного биполярного ВЧ и СВЧ транзистора с учетом его конструкционно-топологических особенностей оценить влияние неоднородности токораспределения в структурах мощных биполярных ВЧ и СВЧ транзисторов на их шумовым характеристики.
На основе анализа двухэлементной теплоэлектрической модели мощных биполярных ВЧ и СВЧ транзисторов с дефектами разработать способ и устройство автоматизированного контроля однородности токораспределения и температурной границы области безопасных режимов мощных биполярных ВЧ и СВЧ транзисторов по зависимости коэффициента внутренней обратной связи по напряжению hUE от коллекторного напряжения.
По результатам ускоренных испытаний оценить эффективность отбраковки потенциально ненадежных мощных биполярных ВЧ и СВЧ транзисторов по шумовым и малосигнальным параметрам и разработать соответствующие методики.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались положения и методы теории электрических цепей, теории случайных процессов, теории погрешностей, физики полупроводников и полупроводниковых приборов, теории вероятности и математической статистики, а также численные методы с применением ЭВМ.
Научная новизна.
1. Впервые показано, что при измерении спектральной плотности мощности
НЧ шума со спектром типа 1/ fr методом непосредственной оценки существует
ширина полосы фильтра, при которой методическая погрешность измерения минимальна; при этом значение ширины полосы фильтра уменьшается, а минимальная методическая погрешность растет с увеличением показателя у.
Впервые для расчета шумовых характеристик мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов с учетом эффектов неоднородного токораспределения предложена двухсекционная эквивалентная шумовая схема, позволяющая разделить источники шума пассивной и активной областей транзисторной структуры.
Установлено, что отношение значений среднего квадрата шумового напряжения МБТ, измеренных при постоянном коллекторном напряжении и двух различных токах, пропорционально коэффициенту неоднородного токораспределения в транзисторной структуре.
На основе двухэлементной теплоэлектрической модели МБТ с дефектами показано, что зависимость малосигнального коэффициента внутренней обратной связи по напряжению hUE от коллекторного напряжения имеет нелинейный характер, а крутизна этой зависимости пропорциональна величине дефекта.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Предложены рекомендации по выбору режима измерения шумовых параметров мощных биполярных транзисторов и методики отбраковки дефектных МБТ по шумовым характеристикам.
Разработаны и внедрены на промышленных предприятиях и научных учреждениях серия измерительных приборов, установок и устройств, а также соответствующие методики для контроля качества и отбраковки МБТ по шумовым и малосигнальным характеристикам:
установка для измерения теплофизических параметров мощных транзисторов УИТЭП внедрена на входном контроле п/я В-8828;
установка для контроля качества мощных транзисторов внедрена на Сарапуль-ском радиозаводе.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на радиотехническом факультете Ульяновского государственного технического университета при проведении занятий по дисциплинам «Устройства генерирования и формирования радиосигналов», «Основы метрологии и радиоизмерений» для студентов специальности «Радиотехника».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 1996); Всероссийской НТК «Современные проблемы проектирования и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 1998, 2001, 2007); VIII и IX Международных НТК «Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды»(Ульяновск, 2000, 2004); Всероссийской НТК «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформати-ка в науке и технике» (Ульяновск, 2004, 2006).
На защиту выносятся:
Двухсекционная шумовая эквивалентная схема МБТ, учитывающая эффекты неоднородного токораспределения в приборных структурах.
Расчетные формулы для оценки методической погрешности измерения шумовых параметров прямым методом и методом удвоения с учетом влияния показателя степени в частотной зависимости спектральной плотности НЧ шума.
Модель и формулы для расчета неоднородности токораспределения в мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторах с дефектами различной физической природы.
Структурная схема устройства для контроля качества и температурной границы области безопасных режимов МБТ по зависимости малосигнального коэффициента обратной связи по напряжению кПБ от коллекторного напряжения.
Результаты выборочных ускоренных испытаний и разработанные на этой основе методики отбраковки дефектных и потенциально ненадежных приборов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 научная работа, включая, 19 научных статей (4 в изданиях из перечня ВАК), 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах, 5 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Личный вклад автора. Основные научные результаты получены автором лично. Реализация ряда прикладных разработок и экспериментов осуществлялась с участием А.А. Широкова, сотрудников и студентов кафедр «Радиотехника» и «Радиотехника, опто- и наноэлектроника» УлГТУ. Работы по внедрению результатов исследований проводились при личном участии автора.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 145 наименований, четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 169 страницы и содержит 9 таблиц и 70 рисунков.
