Введение к работе
Актуальность проблемы.
Совершенствование методов поражения объектов и разработка оружия на новых физических принципах вызывает необходимость разработки новых методов исследования стойкости ИЭТ. Одним из наиболее эффективных способов повреждения элементов является воздействие мощного импульсного СВЧ излучения.
Данной проблеме посвящено относительно небольшое количество
работ. Результаты, полученные в этих исследованиях, носят в
большинстве случаев экспериментальный характер и, как правило,
существенно зависят от условий проведения эксперимента, что лишает
возможности использовать эти результаты даже при незначительных
изменениях в схемотехнике, конструктивно-технологических
особенностях исследуемого объекта, а также параметрах воздейсвующего СВЧ излучения. Таким образом, высокая чувствительность ряда ИЭТ и узлов РЭА, главным образом, приемно-передающих, к воздействию СВЧ излучения, а также отсутствие корректных моделей, адекватно описывающих экспериментальные результаты, приводят к необходимости исследования указанных эффектов с целью разработки моделей физического и электрического уровней описания. Кроме того, исследования на традиционных моделирующих установках по производительности и условиям проведения испытаний не позволяют провести достаточно достоверный и оперативный анализ стойкости ИЭТ и узлов РЭА к воздействию СВЧ излучения на . этапе разработки, поэтому существенный интерес представляют методики и технические средства адекватных имитационных испытаний, совместимые с измерительной аппаратурой,
A-
не представляющие электромагнитной опасности для персонала и имеющие простую перестройку уровня воздействия.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка теоретических методов анализа и методик экспериментального исследования доминирующих механизмов отказов элементов ИЭТ и устройств на их основе при воздействии мощного импульсного СВЧ излучения на примере базовых элементов ИЭТ и узлов РЭА, разработка моделей, а также выработка рекомендаций по повышению их стойкости к указанному воздействию.
Научная новизна и значимость работы.
Впервые проведен теоретический анализ всего спектра эффектов от обратимого до катастрофического нарушений-работоспособности ряда отечественных ПП и ИМС, изготовленных по различной технологии, для различных по мощности и длительности уровней СВЧ воздействия.
Для биполярных АИМС и ТТЛ(Ш) ЦИМС на основе модифицированной модели Эберса-Молла разработаны электрические модели, позволяющие рассчитать реакцию на СВЧ воздействие с помощью пакета программ PSPICE. В процессе моделирования на примере ТТЛ(Ш) логического элемента рассмотрено влияние элементов корпуса в случае наводки СВЧ сигнала на выводы, установлена зависимость поглощенной на элементе СВЧ мощности от его логического состояния. Результаты моделирования ' хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными. С .использованием предложенного подхода установлены доминирующие механизмы отказа в разных логических состояниях ЦИМС и выявлены каскады, определяющие стойкость исследуемых биполярных АИМС и ЦИМС к указанному воздействию. Осуществлена проверка адекватности моделей
на наборе тестовых структур в широком диапазоне изменения параметров.
Получены экспериментальные данные по реакции КМДП ЦИМС на указанное воздействие, где наряду с реакцией защитных диодных структур удалось определить характерные условия воздействия (длительность и мощность воздействующего СВЧ импульса), при которых происходит "latch-up" с переходом КМДП структуры в низкоимпедансное состояние.
Разработана электрофизическая модель, описывающая реакцию GaAs ПТШ на СВЧ воздействие и учитывающая как процесс переноса носителей, ограниченный пространственным зарядом и режим большого сигнала, так и долговременные релаксационные процессы, отражающие состояние границы канал-подложка.
Экспериментально получены данные о ряде новых переходных эффектов для GaAs ПТШ при воздействии СВЧ импульса (конкурирование процессов детектирования СВЧ импульса на нелинейностях переходов 3-И и 3-С, а также запирания ПТШ в момент воздействия импульса с последующей длительной релаксацией тока стока по окончании воздействия СВЧ импульса).
Получены обширные экспериментальные данные по уровням катастрофического повреждения для различных отечественных ПП и ИМС Предложена модифицированная модель Вунша-Белла теплового вторичного пробоя с идентифицированными из эксперимента численными коэффициентами " для каждого конкретного типа исследуемых ПП и ИМС.
Разработана методика экспериментальных исследований ПП и ИМС на моделирующих установках (МУ), а также экспериментальный стенд для проведения испытаний элементной базы на МУ. На основе
-б-
импульсного генератора СВЧ излучения предложена
экспериментальная методика исследований ПП и ИМС на лабораторном имитаторе, а также экспериментальный стенд для проведения имитационных испытаний. Проведен анализ адекватности исследований на МУ и ЛИ. Определена область корректного применения методики имитационных испытаний для исследовательских и аттестационных испытаний.
Автор защищает:
1. Модифицированную модель Вунша-Белла теплового вторичного
пробоя, позволяющую прогнозировать уровень (СВЧ мощность)
катастрофического повреждения в зависимости от длительности
воздействующего СВЧ импульса для широкого диапазона длительности
импульса и большой номенклатуры испытанных ПП и ИМС.
-
Электрофизическую модель полупроводникового диода, учитывающую детектирование СВЧ сигнала на нелинейности диода, которая предназначена для использования в моделях других ПП, описывающих на электрическом уровне реакцию ПП и ИМС на воздействие СВЧ излучения.
-
Модифицированную модель Эберса-Молла биполярного транзистора, позволяющую учитывать эффекты детектирования СВЧ сигнала на переходах транзистора при машинном моделировании биполярных АИМС и ЦИМС с использованием САПР.
4. Электрофизическую модель, описывающую реакцию GaAs ПТШ
на СВЧ воздействие и учитывающую мгновенную и долговременную
составляющие изменений . тока стока, с помощью которой на ПЭВМ
рассчитываются S- параметры в режиме большого сигнала.
5. Результаты машинного моделирования воздействия СВЧ
излучения на биполярные АИМС и ТТЛ(Ш) ЦИМС с использованием
.--*-
модифицированной модели Эберса-Молла БТ в сравнение с экспериментальными результатами, что дает возможность прогнозировать стойкость ИМС на этапе проектирования.
-
Методики и результаты испытаний узлов РЭА и элементов ИЭТ на моделирующих установках и лабораторных имитаторах СВЧ воздействия, сокращающие стоимость испытаний в 5..:10 раз и сроки в 3...5 раз.
-
Рекомендации по повышению стойкости узлов РЭА и элементов ИЭТ к воздействию СВЧ излучения, разработанные на основе представлений о механизмах обратимых и катастрофических отказов в рамках предложенных моделей, применение которых приводит к уменьшению чувствительности к указанному воздействию в 2...5 раз.
Практическая полезность.
результаты работы вошли в отчетные материалы по НИР "Помеха-С", К-3 "Пульсар-МИФИ", "Безграничность" - МРТИ, выполняемых по заказу МО и Госкомоборонпром, что подтверждается соответствующими актами о внедрении;
- результаты работы использованы при разработке первых отечественных лабораторных имитаторов мощного импульсного СВЧ воздействия, которые позволили создать новую экспериментальную базу' для исследования воздействия СВЧ излучения на ПП, ИМС и узлы РЭА.
Апробация и публикации.
Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на Всесоюзных конференциях (Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры" Запорожье, 1990), межотраслевых совещаниях (5- межотраслевое совещание-семинар "Проблемы создания
ПП, ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ", Петрозаводск, 9-13 сентября, 1991), научных семинарах кафедры Электроники МИФИ. Материалы диссертации изложены в 5-й печатных работах (список приведен в конце реферата), а также в научно-технических отчетах.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 254 стр. печатного текста, в том числе 88 рисунков, 27 таблиц и библиографию, включающую 102 наименования.
