Улучшение энергетических параметров сверхкоротких импульсов, формируемых генераторами на основе диодов с накоплением заряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Степкин, Владислав Андреевич

• Степкин, Владислав Андреевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Степкин, Владислав Андреевич

Список используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Исследование процессов в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда в режиме переключения.

1.1. Процессы накопления неосновных носителей заряда в полупроводниковой структуре диода.

1.2. Параметры диодов с накоплением заряда.-.

1.3. Процессы, протекающие в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при генерации сверхкоротких импульсов.

1.4. Экспериментальное исследование переходных процессов в диодах с накоплением заряда в режиме переключения.

1.5. Методика измерения параметров ДНЗ.46

Выводы.

Глава 2. Моделирование диодов с накоплением заряда.

2.1. Анализ методов моделирования ДНЗ.

2.2. Математическая модель ДНЗ, учитывающая процессы рекомбинации^ и утечки носителей зарядов в сильнолегированные области полупроводниковой стуктуры.

2.3. Моделирование процессов в полупроводниковой структуре ДНЗ при помощи САПР.

2.4. Определение модельных параметров ДНЗ-по экспериментальным данным.

2.5. Определение модельных параметров диода с накоплением заряда 2А609Б.

Выводы.

Глава 3. Генераторы сверхкоротких импульсов с индуктивным накопителем энергии.

3.1. Схемы генерации СКИ. Процессы, ограничивающие амплитуду и частоту повторения генерируемых СКИ.

3.2. Генерация СКИ с длительным накоплением заряда.

3.3. Способ генерации СКИ с одновременной накачкой заряда ДНЗ и накоплением магнитной энергии.

Выводы.

Глава 4. Тестирование стойкости элементной базы к воздействию импульсных помех.

4.1. Обратимые отказы, возникающие при воздействии импульсной помехи на МШУ.

4.2. Методика автоматизированного тестирования полупроводниковой электронной элементной базы на стойкость к импульсным воздействиям.

4.3. Экспериментальное исследование стойкости полевых транзисторов с затвором Шоттки.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение энергетических параметров сверхкоротких импульсов, формируемых генераторами на основе диодов с накоплением заряда»

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов в полупроводниковой структуре диодов с накоплением заряда (ДНЗ) в режиме переключения [1-4], способов генерации сверхкоротких импульсов (СКИ) на основе их [5-10], а также развитию методики экспериментального тестирования полупроводниковой элементной базы малошумящих усилителей (МШУ) по критерию стойкости к воздействию СКИ [10-15].

Актуальность лгемы

Исследования, проводимые в данной работе, направлены на изучение нелинейных процессов накопления и рассасывания неосновных носителей в полупроводниковой структуре диодов с накоплением заряда (ДНЗ) при генерации сверхкоротких импульсов.

Постоянное расширение области применения сверхширокополосных сигналов, в том числе сверхкоротких импульсов [16-35], предъявляет все большие требования к формирователям таких сигналов. Основными-из них являются: уменьшение длительности^ СКИ; увеличение частоты повторения без снижения амплитуды импульсов, повышение КПД. Эти требования обусловливают необходимость совершенствования методов генерации. Известные в настоящее время генераторы СКИ [8-10,36-39] в большинстве своем строятся на базе индуктивных накопителей энергии и полупроводниковых прерывателей тока. В'связи с высоким быстродействием в качестве прерывателей- тока зачастую используются различные виды диодов с накоплением заряда (ДНЗ) [40-42]. В литературе они также известны как диоды с резким восстановлением обратного сопротивления [14]. Работа таких генераторов основана на использовании нелинейных эффектов накопления и рассасывания заряда в полупроводниковой структуре ДНЗ.

Исследованию процессов протекающих в полупроводниковой структуре диодов с накоплением заряда в режиме генерации импульсов на сегодняшний день посвящено большое количество публикаций [4,10,40-43]. Существуют публикации, в которых дается физическая интерпретация нелинейных эффектов в полупроводниковой структуре ДНЗ, работающих в импульсном режиме [44-46]. Достаточное количество работ посвящено созданию их моделей [47-51]. Однако в литературе не освещается проблема, связанная с накоплением «паразитного» заряда в полупроводниковой структуре прибора. Процесс накопления этого заряда зависит от режима работы ДНЗ и может существенным образом влиять на процесс восстановления обратного сопротивления, что в свою- очередь, определяет такие параметры формируемого генератором сигнала, как амплитуда, длительность и максимальная частота следования' импульсов. Эти параметры так же зависят и от способа формирования СКИ. Известно большое число схемотехнических решений генерации таких сигналов [4, 8-10, 17, 34-41]. На сегодняшний день максимальная частота повторения, которая достигается с использованием известных схем формирователей, составляет десятки килогерц.

Для улучшения основных характеристик генератора ■ становится необходимым учет «паразитных» эффектов в ДНЗ. Таким образом, указанные обстоятельства подтверждают незавершенность существующих исследований в этой области.

Наряду с радиолокацией и связью, СКИ успешно применяются и в системах подавления радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) [11-13,52,53]. Такие сигналы используются в качестве преднамеренных помех. Известно, что воздействие последовательностей СКИ на входные устройства приемников могут взывать сбои в их работе, которые, в зависимости от параметров воздействия, могут носить как обратимый, так и необратимый характер. 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 [54-63]. Наиболее уязвимым узлом к воздействию таких помех является малошумящий усилитель. Часто эти помехи напрямую действуют на МШУ, так как в целях повышения чувствительности радиоприемника защитные устройства и фильтры на его входе могут отсутствовать. В этом случае воздействие последовательности СКИ вызывает обратимые отказы, проявляющиеся в ухудшении функциональных параметров МШУ в межимпульсных промежутках, что приводит к снижению чувствительности приемника или его некорректной работе.

Основу элементной базы МШУ составляют различные виды транзисторов СВЧ (ПТШ, НЕМТ, НВТ). Работа МШУ в присутствии импульсных помех определяется- процессами, протекающими в полупроводниковой структуре транзистора. Условия, при1 которых могут возникать обратимые отказы, зависят от типа, топологии и материалов, из которых изготовлена элементная база [57,58,60,64,65]. На данный* момент в литературе хорошо освещены физические явления в полупроводниковой структуре, вызванные воздействием СКИ. Однако, не существует единой методики отбора полупроводниковой» элементной базы по - критерию стойкости к воздействию такого рода сигналов. При помощи такой-методики стало бы возможным производить тестирование транзисторов непосредственно на этапе производства и выявлять наиболее стойкие к воздействию СКИ, что позволит снизить уязвимость радиоэлектронной аппаратуры1 при работе в условиях импульсных воздействий.

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

Целью работы является:

1. Исследование процессов полупроводниковой накоплением заряда при-генерации СКИ. структуре диода с

2. Разработка модели ДНЗ, учитывающей эффекты накопления и рассасывания неосновных носителей в полупроводниковой» структуре прибора.

3. Разработка методов генерации СКИ, позволяющих улучшить характеристики формирователей и сигналов на их выходе.

4. Разработка методики и автоматизированной экспериментальной установки для тестирования полупроводниковой элементной базы по* критерию стойкости к импульсным воздействиям.

Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее целей:

• исследовать переходные процессы в ДНЗ в режиме переключения-для различных режимов работы диода;

• разработать математическую модель ДНЗ, учитывающую нелинейные эффекты накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в полупроводниковой» структуре диода, а также методику определения параметров этой модели по экспериментальным данным;

• исследовать методы генерации СКИ на основе накопления магнитной энергии;

• разработать схемотехнические- решения^ позволяющие увеличить энергетические параметры формируемых СКИ;

• разработать методику экспериментальных исследований стойкости элементной базы при воздействии СКИ;

• разработать автоматизированный измерительный стенд для проведения экспериментальных исследований по воздействию СКИ на полупроводниковую элементную базу.

Методы исследования;

В диссертационной работе использованы методы теории электрических цепей и сигналов, методы физики полупроводников, математического и компьютерного моделирования, физическое моделирование, численные методы расчета и анализа, математический аппарат дифференциальных уравнений, современные методики экспериментальных исследований.

Научная новизна:

1. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование диодов с накоплением: заряда, в результате которого выявлены процессы в их полупроводниковой структуре, влияющие на процесс переключения. Показано, что накопление неосновных носителей заряда в легированных областях ДНЗ приводит к замедлению процесса переключения. .

Т. Разработана модель ДНЗ, учитывающая процессы! накопления: и рассасыванияшеосновныхпносителей в;полупроводниковой" структуре.

3. Предложен способ? генерации СКИ с управляемыми; амплитудой ш длительностью формируемых импульсов.

4:. Предложено схемотехническое решение генератора, в котором минимизированы паразитные; переходные; процессы, что? позволило повысить амплитуду и частому повторения импульсов.

5. На основе генераторов с изменяемыми параметрами формируемых СКИ, разработана; методика автоматизированного тестирования полупроводниковой элементной базы при воздействии-' сверхкоротких импульсных помех.

Достоверность.

Достоверность результатов диссертации определяется корректным? применением математических методов,' соответствием выводов; известным фундаментальным: теоретическим представлениям, соответствием результатов моделирования; полученным экспериментальным данным.

Личный вклад.

Личный вклад состоит в разработке и проведении теоретических и экспериментальных исследований^ а так же анализом; полученных результатов.

Практическая ценность.

Выявлены процессы накопления «паразитного» заряда в легированных областях полупроводниковой структуры ДНЗ; ограничивающие амплитуду и частоту повторения генерируемых СКИ.

Разработана модель ДНЗ, учитывающая, процессы в полупроводниковой структуре диода; протекающие при' генерации» СКИ: накопление и рекомбинацию? неосновных носителей в активной! и сильнолегированных областях, диода, утечку носителей; из активной' , области. Предложена методика определения« модельных параметров* ДНЗ по экспериментальным' данным, в качестве которых используются временные зависимости тока через диод в режиме переключения.

Выявлены зависимости амплитуды и длительности! формируемых СКИ от.величины прямого тока протекающего через ДНЗ.

С учетом рассмотренных, процессов в ДНЗ" разработаны методы генерации СКИ, позволяющие повысить амплитуду и частоту повторения формируемых импульсов. Совмещение- цепей накачки диода и накопления магнитной энергии индуктивности позволило существенно повысить КПД генератора. •

Разработана методика автоматизированного тестирования полупроводниковой элементной базы,по критерию; стойкости к воздействиям СКИ. ■■

Результаты; диссертации могут: быть использованы при разработке генераторов СКИ и других устройств на базе ДНЗ:

Внедрение научных результатов.

Результаты диссертации использованы в научно-исследовательских работах, выполнявшихся на кафедре. электроники' Воронежского; государственного' университета «Диффузия-К-ВГУ» (государственный контракт № 64019/36-06), ФЦП «Научные; и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (государственный контракт № П1140 и № 14.740.11.1081), а так же в учебном процессе.

Состояние исследуемой проблемы.

Одной из основных целей импульсной радиоэлектроники является освоение " высоких уровней мощности источников- электромагнитного излучения [40]. Это достигается наращиванием энергии, передаваемой* импульсным генератором в соответствующую нагрузку. При фиксированной энергии' импульса повышение мощности возможно только, в случае сокращения, времени выделения энергии, то есть в случае уменьшения-длительности импульса:

Задачи, которые стимулировали создание импульсных- генераторов, носили как исследовательский, так и практический характер. Это рентгенография* быстропротекающих процессов, неразрушающая дефектоскопия, сверхширокополосная радиолокация и связь, экстремальные испытания стойкости традиционных радиоэлектронных систем и другое.

Основой субнаносекундных систем являются генераторы импульсов напряжения соответствующей длительности. Малые габариты- и потребляемая мощность делают такие устройства перспективными^ для достижения высоких пиковых плотностей мощности при относительно небольших затратах, однако пикосекундный диапазон длительностей имеет ряд специфических особенностей. Зачастую такие генераторы строятся на основе индуктивных накопителей энергии* и полупроводниковых размыкателей тока, в качестве которых широко используются различные виды диодов с накоплением заряда.

Работа диодов накоплением заряда в схемах генерации сверхкоротких импульсов, широко рассмотрена в литературе [1-4,37-49]. Диод с накоплением заряда в режиме переключения обычно рассматривают как упрощенную модель, состоящую из двух емкостей и переключателя [1,4,46]. Большая емкость представляет собой аналог диффузионной емкости диода и моделирует его работу на протяжении протекания через диод прямого тока. Вторая емкость - малой величины - это барьерная емкость р-п перехода. Такая идеализация далеко не полно отражает всю специфику работы этих приборов в схемах генерации СКИ.

Построение схем генераторов с возможностью учета всех процессов, протекающих в полупроводниковой структуре ДНЗ, позволит добиться максимальных амплитуд и частот повторения- формируемых СКИ. В настоящее время известны генераторы, формирующие импульсы длительностью порядка 0,5нс, амплитудой единицы-десятки вольт и максимальной частотой повторения сотни килогерц.

Сверхкороткие импульсные сигналы находят применение в широком • спектре приложений. Одним из примеров; где необходимо достижение максимальных параметром формируемых сигналов, может служить область радиоэлектронной борьбы и подавления. Известны работы, в которых приводятся исследования воздействия серий СКИ на полупроводниковую элементную базу. При небольшой средней мощности они могут приводить к так называемым обратимым отказам аппаратуры. Эти отказы выражаются во временном ухудшении функциональных параметров системы. Существуют экспериментальные установки, предназначенные для исследования этих процессов. Однако измерения могут занимать много времени. Процесс восстановления характеристик может длиться десятки минут и даже часов.

В' первой главе диссертационной работы исследовались процессы в полупроводниковой структуре диодов с накоплением заряда при работе в режиме переключения.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований процессов переключения ДНЗ выявлены эффекты- в полупроводниковой структуре прибора, влияющие на процесс переключения. Известные полупроводниковые структуры ДНЗ можно рассматривать на примере р-ьп структуры. Предполагается, что в диоде есть 3 области: сильнолегированные области р+ и п+ и тонкий слой собственного полупроводника между ними. Этот слой будем называть активной областью диода, или 1-областью. Когда через диод протекает прямой ток, полупроводниковые переходы оказываются смещены в прямом направлении, высота барьеров уменьшена. В это время из легированных областей инжектируются носители заряда в активную область. Если время, в течение которого протекает прямой ток больше: времени пролета носителей; через I-область, то в ней накапливается объемный заряд, представляющий собой электронно-дырочную плазму. Однако вследствие того, что потенциальные барьеры не являются полностью непроницаемыми, происходит утечка носителей заряда из активной области в легированные. Там накапливается так называемый паразитный« заряд. Когда напряжение на* диоде меняет знак, через него начинает протекать обратный;ток, рассасывающий заряд активной? области;- Как только заряд активной« области? полностью рассасывается;, обратное сопротивление диода восстанавливается. Однако из-за большей протяженности легированных областей к этому времени паразитный заряд рассосаться? не успевает. Происходит замедление процесса переключения; что наблюдается на; переходных • характеристиках диодов. Процесс рассасывания^ паразитного заряда- приводит к уменьшению амплитуды формируемого импульса и ограничению максимальной частотышовторения:

Во второй главе диссертационной: работы проведен анализ моделей: и методов моделирования! диодов с накоплением заряда, а также предложена математическая модель, позволяющая учесть процессы, связанные с утечкой носителей заряда из активной области в легированные.

Для математического' описания процессов* в ДНЗ в настоящее время используются сильно упрощенные модели. Как правило, диод представляется в виде эквивалентной^ схемы, содержащей две емкости, большую (аналог диффузионной емкости диода в прямом направлении)^ малую (аналог барьерной емкости при обратном смещении), й идеального переключателя-.

Такой подход применяется для моделирования схем умножителей частоты или генераторов гармоник высшего порядка в частотной области. Однако для анализа схем генераторов импульсов во временной области применение таких упрощенных моделей становится невозможным из-за резкой нелинейности характеристики. Кроме того, известные реализации моделей не учитывают эффектов накопления заряда, описанных выше.

Для более полного учета процессов накопления и рассасывания зарядов в полупроводниковой структуре прибора в работе предложена модель диода. Динамику зарядов в активной и легированных областях предложено описывать дифференциальными уравнениями. Основное отличие от существующих моделей заключается учете токов утечки носителей заряда активной области, вследствие наличия которых происходит накопление «паразитного» заряда в легированных областях ДНЗ.

Предложенная^ модель реализована в пакете схемотехнического проектирования Ansoft Designer. А также разработана методика определения модельных параметров диодов с накоплением заряда по экспериментальным данным. В качестве примера, определены модельные параметры для диода 2А609Б. Результаты моделированши с хорошей* точностью совпадают с I экспериментальными.

В третьей главе диссертационной работы проведено теоретическое и экспериментальное исследование генераторов сверхкоротких импульсов. На основе модели ДНЗ была проанализирована схема генератора с длительным накоплением энергии и получены новые эффекты. Как и в эксперименте при моделировании наблюдалось насыщение амплитуды формируемых импульсов. Кроме этого, были получены зависимости длительности импульсов от величины прямого тока. Оказалось, что существуют области значений токов, в которых при неизменной длительности меняется амплитуда импульсов и, наоборот, при практически постоянной амплитуде меняется длительность. Этот факт был проверен экспериментально.

Действительно, для генератора на основе ДНЗ 2А609А. в диапазоне значений тока примерно от 50мА до 100мА длительность импульсов остается практически постоянной, а. амплитуда увеличивается с ростом тока. При значениях тока более 100 мА амплитуда остается неизменной^ в тоже время длительность растет с ростом тока. Эти особенности можно использовать для перестройки амплитуд и длительностей СКИ изменением величины прямого тока через диод, что может применяться, например, в системах связи' или: радиолокации.

Однако такой способ' генерации имеет недостатки. Увеличение: амплитуды и частоты следования? возможно; с помощью) другой схемы, в. которой» накопление энергии магнитного поля в индуктивности происходит в течение всего цикла работы генератора:

Минимизация времени переходных процессов, после переключения-диода в состояние: с • высоким : обратным сопротивлением достигается выбором времени включения транзисторного1 ключа? и напряжений питания. По результатам моделирования максимальная частота^ повторения составила 60МГц при? амплитуде 80 В и: длительности^ ЗООпс. В практической-реализации удалось получить частоту повторения. ЗОМРц.

В четвертой главе диссертационной работы • предложена методика автоматизированного< неразрушающего отбора, элементной;базы:по критерию стойкости к воздействию СКИ. Известно, что воздействие серий! СКИ может приводить как к обратимым, так и необратимым отказам РЭУ. Как показывают исследования,, стойкость элементной' базы к воздействию СКИ зависит от полупроводниковой структуры приборов и ее параметров.

Для реализации этой методики на основе генераторов с управляемыми параметрами был разработан автоматизированный измерительный- стенд. Стенд включает в> себя- измерительную установку, генератор СКИ и испытательный модуль, в качестве которого в данном случае использовался малошумящий усилитель- (МШУ). Для испытаний стойкости элементной базы исследовались МШУ, разработанные на базе транзисторов различных типов (ПТШ, НЕМТ, НВТ) и разных типов корпусов. Автоматизация измерений осуществлялась при помощи измерительной установки National Instruments и программного обеспечения, разработанного на базе языка программирования LabView. При воздействии СКИ на МШУ, величина тока стока падает до определенного значения и затем после снятия этого воздействия восстанавливается до исходного. Однако восстановление не происходит мгновенно. Функциональные параметры^ устройства восстанавливаются в течение некоторого времени после прекращения воздействия. В этом и заключается эффект обратимой деградации. Разработанное программное обеспечение позволяет по экспериментальным-данным рассчитывать, основные параметры, характеризующие деградационные эффекты. Например, зависимости нормированной величины тока стока и времени восстановления- от амплитуды- импульсов» для нескольких образцов транзисторов одного типа. Эти зависимости имеют качественные и количественные отличия. Таким образом, в качестве критериев отбора может выступать одна из этих величин. В работе также предложены другие параметры, которые могут характеризовать стойкость транзисторов в составе МШУ. Важной особенностью методики является то, что элементная база не подвергается воздействию после которого возникают необратимые изменения в.ееТШ структуре.

В заключении- сформулированы основные выводы и результаты.

Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:

1. Результаты теоретического и экспериментального исследования процессов в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда, при генерации сверхкоротких импульсов и их физическая интерпретация.

2. Модель диода с накоплением заряда, учитывающая эффекты накопления неосновных носителей в активной и сильнолегированных областях полупроводниковой структуры.прибора.

3. Схемотехническая реализация генератора, позволившая увеличить амплитуду и частоту повторения-формируемых сверхкоротких импульсов.

4. Методика автоматизированного отбора полупроводниковой элементной базы по критериям стойкости к импульсным воздействиям.

Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

XIV, XV, XVI, XVII Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2008,* 2009, 2010, 2011 г., соответственно.

7,8 Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости* и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 2007, 2009 г., соответственно.

10-й Российской научно-технической конференциишо электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной- безопасности: ЭМС-2008, г. Санкт-Петербург, 2008 г.

V, VII Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Казань, г. Самара, 2007, 2008г., соответственно.

63', 65, Научных сессиях РНТОРЭС им. Попова, посвященных Дню радио, г.Москва, 2008,2010'г., соответственно.

9 Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и-технологий телекоммуникаций», г. Казань, 2008 г.

18-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 2008 г.

20th International Zurich Symposium "Electromagnetic Compatibility 2009", Zurich, 2009.

Научных сессиях Воронежского государственного университета, г. Воронеж, 2008, 2009, 2010, 2011 г., соответственно.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 20 печатных работах [54-65,88,89,91-96]. Из них 3 работы [65,88,95] опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций основных результатов диссертаций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 100 наименований. Объём диссертации составляет 135 страниц, включая 48 иллюстраций.