外电路在电磁脉冲对双极型晶体管作用过程中的影响

 借助自主开发的2维半导体器件-电路联合仿真器，研究了电磁脉冲从发射极注入双极型晶体管时，外电路的影响，分析了共基极接法晶体管的电流分配系数，然后在此基础上研究了3种典型外电路元件的影响。结果表明：当脉冲从发射极注入时，基极外接电阻对器件烧毁过程影响不大；集电极外接正电压源等效于削减电磁脉冲的幅度，有延缓器件烧毁的作用；集电极外接电阻能明显提高器件对电磁脉冲的耐受性。     

硅基单片式复合晶体管的结构参数对高功率微波损伤效应的影响

建立了三种不同结构的硅基单片式复合晶体管(由T1和T2两个晶体管构成)的二维电热模型,研究了高功率微波对不同结构的硅基单片式复合晶体管的损伤效应的影响。获得了不同器件结构下导致复合晶体管损伤的损伤功率阈值和损伤能量阈值分别与脉宽的关系。结果表明,当复合晶体管的总体尺寸不变而T2和T1晶体管的面积比值更大时需要更多的功率和能量来损伤器件。通过分析器件内部电场、电流密度和温度分布的变化,得到了复合晶体管的结构对其微波损伤效应的影响规律。对比发现,三种结构的复合晶体管的损伤点均位于T2管的发射极附近,随着T2和T1晶体管面积比的增大,电场、电流密度和温度在器件内部的分布将变得更加分散。此外,在发射极处增加外接电阻R_e,研究表明损伤时间随发射极电阻的增大而增加。因此可以得出结论,适当改变器件结构或增加外接元件可以增强器件的抗微波损伤能力。晶体管的仿真毁伤点与实验结果一致。     

硅基单片式复合晶体管的结构参数对高功率微波损伤效应的影响（英文）

建立了三种不同结构的硅基单片式复合晶体管(由T1和T2两个晶体管构成)的二维电热模型,研究了高功率微波对不同结构的硅基单片式复合晶体管的损伤效应的影响。获得了不同器件结构下导致复合晶体管损伤的损伤功率阈值和损伤能量阈值分别与脉宽的关系。结果表明,当复合晶体管的总体尺寸不变而T2和T1晶体管的面积比值更大时需要更多的功率和能量来损伤器件。通过分析器件内部电场、电流密度和温度分布的变化,得到了复合晶体管的结构对其微波损伤效应的影响规律。对比发现,三种结构的复合晶体管的损伤点均位于T2管的发射极附近,随着T2和T1晶体管面积比的增大,电场、电流密度和温度在器件内部的分布将变得更加分散。此外,在发射极处增加外接电阻Re,研究表明损伤时间随发射极电阻的增大而增加。因此可以得出结论,适当改变器件结构或增加外接元件可以增强器件的抗微波损伤能力。晶体管的仿真毁伤点与实验结果一致。     

PIN限幅器电磁脉冲效应数值模拟与验证

基于电磁脉冲对半导体器件效应的电-热多物理场模型,利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN限幅器电磁脉冲效应数值模型,研究了不同峰值功率的电磁脉冲作用下限幅器的输入/输出特性,以及大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系。模拟与实验结果表明:基于器件热效应影响载流子输运过程的电-热多物理模场型,模拟限幅器在大功率电磁脉冲注入下输入/输出功率的结果与实验结果吻合较好;模拟大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系式,与Wunsch-Bell半经验关系式符合较好。     

双极晶体管微波损伤效应与机理

结合Si基n⁺-p-n-n⁺外延平面双极晶体管, 考虑了器件自热、高电场下的载流子迁移率退化和载流子雪崩产生效应, 建立了其在高功率微波(high power microwave, HPM)作用下的二维电热模型. 通过分析器件内部电场强度、电流密度和温度分布随信号作用时间的变化, 研究了频率为1 GHz的等效电压信号由基极和集电极注入时双极晶体管的损伤效应和机理. 结果表明集电极注入时器件升温发生在信号的负半周, 在正半周时器件峰值温度略有下降, 与集电极注入相比基极注入更容易使器件毁伤, 其易损部位是B-E结. 对初相分别为0和π的两个高幅值信号的损伤研究结果表明, 初相为π的信号更容易损伤器件, 而发射极串联电阻可以有效的提高器件的抗微波损伤能力.     

面向超短波接收机射频前端的电磁脉冲效应仿真与效应分级方法

针对接收机射频前端在电磁脉冲环境作用下的电磁损伤过程模拟问题,以超短波接收机为具体研究对象,基于超外差式接收机电路功能模型,采用Verilog-a和SPICE网表联合建模方法,建立了射频前端低噪声放大器（LNA）电磁脉冲效应仿真模型(Extended LNA Model),并通过S参数仿真和瞬态仿真验证了LNA电磁脉冲效应模型具备正常功能仿真能力;为验证该模型的电磁脉冲损伤模拟能力,以标准电磁脉冲波形作为激励,以偶极子天线作为简化的天线前门耦合通道,在不同强度电磁脉冲作用下,接收机中频电路信号输出表现出了无影响、干扰、损毁的电磁脉冲效应过程,说明了建模方法的有效性;最后以EMP-天线耦合电压峰值作为阈值指标,分析得到了超短波接收机不同电磁脉冲效应等级对应的电压峰值阈值数据。     

GaN高电子迁移率晶体管强电磁脉冲损伤效应与机理

提出了一种新型GaN异质结高电子迁移率晶体管在强电磁脉冲下的二维电热模型,模型引入材料固有的极化效应,高场下电子迁移率退化、载流子雪崩产生效应以及器件自热效应,分析了栅极注入强电磁脉冲情况下器件内部的瞬态响应,对其损伤机理和损伤阈值变化规律进行了研究.结果表明,器件内部温升速率呈现出"快速-缓慢-急剧"的趋势.当器件局部温度足够高时(2000 K),该位置热电子发射与温度升高形成正反馈,导致温度急剧升高直至烧毁.栅极靠近源端的柱面处是由于热积累最易发生熔融烧毁的部位,严重影响器件的特性和可靠性.随着脉宽的增加,损伤功率阈值迅速减小而损伤能量阈值逐渐增大.通过数据拟合得到脉宽τ与损伤功率阈值P和损伤能量阈值E的关系.     

无人机收发信机快沿电磁脉冲效应研究

为了探究快沿电磁脉冲(FRTEMP)对无人机收发信机的损伤效应,以某型无人机收发信机为研究对象,通过快沿双指数脉冲Marx源与GTEM室模拟产生快沿电磁脉冲对收发信机进行辐照实验。以收发信机是否损坏无法工作为收发信机是否受到电磁脉冲损伤的判别依据,同时进一步检测收发信机内部电路具体损坏器件。实验结果表明,快沿电磁脉冲能够造成无人机收发信机损坏,得到了导致无人机收发信机损坏的快沿电磁脉冲场强阈值。对损坏的无人机收发信机进行机理分析和检测,结果表明,本振电路损坏导致收发信机无法输出工作信号,而锁相环是导致本振无法工作的的关键原因,通过定位到具体受损器件可以进行进一步脉冲防护工作以及为易损器件加装防护提供基础。     

双指数脉冲电流发生器的电路仿真计算

双指数脉冲电流发生器可用于电子系统端口传导耦合实验,主要用于研究电磁敏感器件的电磁脉冲效应的损伤规律。根据实验要求,该发生器能够输出前沿10 ns、脉宽100 ns、电流幅值3 kA的双指数脉冲电流。建立了该发生器的电路模型,并对杂散电容和电感对输出电流波形的影响进行了分析。模拟计算表明,电流信号的过冲现象和后沿叠加干扰信号的原因可能是电阻负载自身存在的杂散电容和测量电流的线圈附近的杂散电容和电感的共同作用导致的。经过理论计算,如果在测量线圈附近添加适当的滤波设备或者用无损同轴电缆引出电流,能够明显地抑制过冲和干扰。     

4H-SiC金属-半导体场效应晶体管大信号I-V特性和小信号参数的计算

基于碳化硅金属-半导体场效应晶体管内部载流子输运的物理特性分析,建立适于精确计算4H-SiCMESFET器件大信号电流-电压特性和小信号参数的解析模型.该模型采用场致迁移率、速度饱和近似,并考虑碳化硅中杂质不完全离化效应及漏源串联电阻的影响,栅偏置为0 V时,获得最大跨导约为48 mS·mm^-1.计算结果与实验数据有很好的一致性.该模型具有物理概念清晰且计算较为准确的优点,适于SiC器件以及电路研究使用.     

Damage effect and mechanism of the GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor induced by the electromagnetic pulse

The damage effect and mechanism of the electromagnetic pulse(EMP) on the GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor(PHEMT) are investigated in this paper. By using the device simulation software, the distributions and variations of the electric field, the current density and the temperature are analyzed. The simulation results show that there are three physical effects, i.e., the forward-biased effect of the gate Schottky junction, the avalanche breakdown, and the thermal breakdown of the barrier layer, which influence the device current in the damage process. It is found that the damage position of the device changes with the amplitude of the step voltage pulse. The damage appears under the gate near the drain when the amplitude of the pulse is low, and it also occurs under the gate near the source when the amplitude is sufficiently high, which is consistent with the experimental results.     

Analysis of the damage threshold of the GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor induced by the electromagnetic pulse

An electromagnetic pulse(EMP)-induced damage model based on the internal damage mechanism of the Ga As pseudomorphic high electron mobility transistor(PHEMT) is established in this paper. With this model, the relationships among the damage power, damage energy, pulse width and signal amplitude are investigated. Simulation results show that the pulse width index from the damage power formula obtained here is higher than that from the empirical formula due to the hotspot transferring in the damage process of the device. It is observed that the damage energy is not a constant, which decreases with the signal amplitude increasing, and then changes little when the signal amplitude reaches up to a certain level.     

CMOS反相器的快上升沿强电磁脉冲损伤特性

随着电磁环境的日益复杂,保证集成电路（IC）的可靠性成为一个巨大的挑战。在此基础上,通过对CMOS反相器的仿真和实验研究,研究了快上升沿电磁脉冲（EMP）引起的陷阱辅助隧穿（TAT）效应。对此进行了详细的机理分析用于解释其物理损伤过程。EMP感应电场在氧化层中产生陷阱和泄漏电流,从而导致器件的输出退化和热失效。建立了退化和失效的理论模型,以描述输出退化及热积累对EMP特征的依赖性。温度分布函数由半导体中的热传导方程导出。基于TLP测试系统进行的相应实验证实了出现的性能退化,与机理分析一致。Sentaurus TCAD的仿真结果表明,EMP引起的损坏是由栅极氧化层中发生的TAT电流路径引起的,这也是器件的易烧坏位置。此外,还讨论了器件失效与脉冲上升沿的关系。本文的机理分析有助于加强其他半导体器件的EMP可靠性研究,可以对CMOS数字集成电路的EMP加固提出建议。     

电磁脉冲对CMOS与非门的干扰和损伤效应与机理

利用Sentaurus-TCAD建立了CMOS与非门电路的二维电热模型,仿真研究了在电磁脉冲注入下,CMOS与非门电路产生的扰乱和损伤效应及其机理。结果表明,在EMP注入下,电路输出电压、内部的峰值温度呈周期性的“下降-上升”,当注入功率较大时,EMP撤销后输出电压停留在异常值,PMOS源极电流增加,温度不断上升,最终烧毁在PMOS源极,这是因为器件内部产生了闩锁效应。随着脉宽的增加, 损伤功率阈值减小而损伤能量阈值增大,通过数据拟合得到脉宽与损伤功率阈值和损伤能量阈值的关系。该结果可对EMP损伤效应进行评估并对器件级EMP抗毁伤加固设计具有指导作用。     

变压器寄生参数和负载特性对高压脉冲波形的影响

构建了输出电压幅值为0～20 kV、脉冲重复频率为0.25～20 kHz的双极性高压脉冲电源实验平台,研究了变压器寄生参数与负载特性对输出脉冲波形的影响。采用等效电路复频域解析方法,分析了变压器寄生参数对输出脉冲波形的上升沿、平顶及下降沿的影响规律,并通过改变变压器绕线方案间接验证。发现变压器分布电容和漏感越大,输出脉冲波形上升沿与下降沿越平缓,过冲电压幅值越大,并采用脉冲变压器二次侧均匀密绕、一次侧均匀疏绕、高匝数的方案进行优化。进一步分析了纯阻性、阻容性或阻感性负载特性对输出高压脉冲波形的影响规律,发现电阻值增大（5～50 kΩ）,过冲电压幅值增大,脉冲上升沿和下降沿变陡;当负载电阻回路串联小电容时,过冲电压幅值显著增大,而电容值高于一定值时输出脉冲波形恢复至与纯电阻波形一样;当负载电阻回路串联电感时,输出脉冲波形下降沿变平缓。     

200 kV重复频率Marx发生器研制

针对脉冲功率系统开关触发需求, 设计了一种重复频率Marx发生器,介绍了其基本工作原理及其主要性能指标。发生器采用单极性充电和同轴结构设计,脉冲输出为高压电缆形式,在75 Ω匹配负载上获得了高于200 kV的脉冲输出,脉冲宽度大于90 ns,工作模式可单次到10 Hz重复频率运行,脉冲上升时间小于10 ns,系统抖动小于20.1 ns。     

离散电阻加载的大型垂直极化EMP辐射波模拟器的并行FDTD模拟

将电阻设置为跨网格有耗介质，进行离散电阻加载的大型垂直极化电磁脉冲（EMP）辐射波模拟器时域场的并行FDTD模拟.给出不同离散电阻加载方式下模拟器辐射场的时域波形，分析离散电阻加载对模拟器辐射场的影响，并给出离散电阻加载的模拟器有圆筒效应物时的时域波形.结果表明：电阻加载能有效减小模拟器顶端的电流反射，从而改善辐射场的时域波形，但电阻加载也可能会导致模拟器辐射性能的降低；当效应物开孔所在的侧面靠近模拟器且与模拟器极化方向平行时耦合进入圆筒内的电磁波能量较多.计算方法具有通用性，可用于进行离散电阻加载的其它大型垂直极化EMP辐射波模拟器时域场的模拟，包括导电地面存在且有效应物存在时的时域耦合场的模拟.