微波脈沖對低噪聲放大器的效應(yīng)研究.pdf

1、高功率微波的輸出功率達(dá)到GW甚至十GW水平，已經(jīng)成為電子系統(tǒng)的重要威脅。低噪聲放大器作為射頻前端的核心器件以及最脆弱的器件，極易被鄰近微波發(fā)射源的微波脈沖干擾甚至損傷。為了獲得微波脈沖參數(shù)對電子系統(tǒng)作用效果的影響規(guī)律，以及尋找增強(qiáng)半導(dǎo)體器件微波防護(hù)能力的方法，論文利用理論分析、仿真分析、注入實(shí)驗(yàn)以及失效分析方法開展了微波脈沖對雙極型晶體管（BJT）型和贗配高電子遷移率晶體管（PHEMT）型低噪聲放大器的效應(yīng)研究。研究了微波脈沖作用下器件

2、的非線性特性和損傷特性，同時(shí)分析了脈沖參數(shù)以及器件工作狀態(tài)對器件損傷功率的影響規(guī)律。論文的主要內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　1、利用理論分析和仿真分析研究了微波脈沖作用低噪聲放大器的效應(yīng)機(jī)理。通過建立頻率對半導(dǎo)體器件熱效應(yīng)影響的理論模型，分析得到低頻時(shí)器件更容易損傷。通過建立微波脈沖作用BJT和PHEMT的仿真模型，研究了微波脈沖作用下半導(dǎo)體器件的非線性效應(yīng)機(jī)理和損傷效應(yīng)機(jī)理。微波脈沖從基極注入時(shí) BJT集電極輸出電流隨基極注入電壓的增加

3、呈現(xiàn)出線性增加、飽和、減小、最后反向且再增加的特性；BJT發(fā)射結(jié)附近的基區(qū)以及基極電極和發(fā)射極電極為器件的易損部位。微波脈沖從柵極注入時(shí)PHEMT漏極輸出電流隨柵極注入電壓的增加呈現(xiàn)出線性增加、飽和、最后反向且再增加的特性；PHEMT柵極下方靠源極側(cè)以及柵極電極和源極電極為器件的易損部位。同時(shí)獲得了微波脈沖頻率、脈寬以及器件偏壓對半導(dǎo)體器件損傷效應(yīng)的影響規(guī)律。
　　2、開展了微波脈沖對BJT型和PHEMT型低噪聲放大器的注入實(shí)驗(yàn)，

4、研究了微波脈沖作用低噪聲放大器的非線性效應(yīng)特性和損傷效應(yīng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)測量得到的低噪聲放大器輸出波形隨注入功率增加的變化特性與仿真結(jié)果相符。獲得了不同脈沖參數(shù)（包括脈寬、頻率和脈沖個(gè)數(shù)）以及器件不同工作狀態(tài)對低噪聲放大器損傷功率的影響規(guī)律，同時(shí)分析了低噪聲放大器損傷時(shí)的典型波形。低噪聲放大器的損傷功率隨脈寬增加的變化分為兩段：第一段，脈寬20 ns~100 ns，損傷功率與脈寬關(guān)系為P∝t-1；第二段，脈寬100 ns~2000 ns，P∝

5、t-1/2。頻率為1.5 GHz~10 GHz范圍內(nèi)，器件損傷功率隨頻率增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，器件最大損傷功率的頻率點(diǎn)在6 GHz附近，與微波脈沖作用BJT的三維仿真結(jié)果相符。BJT型低噪聲放大器的損傷功率隨脈沖個(gè)數(shù)增加基本不變；在脈沖個(gè)數(shù)小于100個(gè)時(shí)，脈沖個(gè)數(shù)越多損傷PHEMT型低噪聲放大器所需的功率越小。低噪聲放大器不同偏壓條件下的損傷功率一樣，器件損傷的能量來自微波脈沖。大信號作用下，低噪聲放大器輸出信號的倍頻分量顯著增

6、大，器件損傷時(shí)晶體管輸入阻抗發(fā)生突變，導(dǎo)致阻抗失配，使得反射信號突然增大，而輸出信號突然減小。
　　3、對比分析了半導(dǎo)體器件損傷前后的電特性。BJT損傷后各電極間電阻值正偏和反偏時(shí)一樣，且明顯減小，基極-發(fā)射極電阻減小的幅度最大；晶體管 PN結(jié)的擊穿電壓都趨于零，且不再具有PN結(jié)特性。BJT損傷后發(fā)射結(jié)和集電結(jié)擊穿，形成了具有較小電阻值的短路路徑，導(dǎo)致晶體管出現(xiàn)永久性的功能喪失。PHEMT損傷后柵極-源極和柵極-漏極的電阻值正偏和

7、反偏時(shí)一樣，且明顯減??；同時(shí)，晶體管飽和漏電流和柵極泄露電流顯著增大，輸出特性曲線表現(xiàn)為電阻特性，柵極失去了對漏極電流的控制能力。PHEMT損傷后肖特基結(jié)擊穿，形成了具有較小電阻值的短路路徑。
　　4、分析了不同損傷條件下半導(dǎo)體器件的微觀損傷形貌。微波脈沖從基極注入BJT時(shí)，基極電極的輸入端和其下方基區(qū)的Si材料為器件的易損部位，與仿真得到的晶體管易損部位相符。不同注入條件下，BJT的損傷程度存在明顯差異。多個(gè)脈沖注入時(shí) BJT基

8、極電極被燒斷，而單個(gè)脈沖注入時(shí)基極電極只是被燒熔，多個(gè)脈沖注入時(shí)的損傷程度更嚴(yán)重。單個(gè)脈沖注入時(shí)，脈寬越長，BJT的損傷現(xiàn)象越容易被觀測到，且損傷區(qū)域的面積越大。微波脈沖從PHEMT的柵極注入時(shí)，PHEMT的柵極條以及柵極條的周圍區(qū)域?yàn)榫w管的易損部位，與仿真得到的晶體管易損部位相符。不同注入條件下，PHEMT的損傷圖像沒有明顯差異。
　　5、統(tǒng)計(jì)分析了兩種型號被微波脈沖損傷的 GaAs PHEMT單片微波集成電路（MMIC）芯片