魏子鵬，范麗思，周 行，趙 強

(石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊050043)

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，空間中的電磁環(huán)境日益復雜，除雷電、靜電等自然危害源之外，還有通信、雷達、電子戰(zhàn)裝備和定向能電磁脈沖武器、電磁脈沖炸彈等人為電磁危害源．這些復雜多變的電磁環(huán)境，尤其是靜電放電和高功率微波等快上升沿脈沖電流形成的電磁脈沖場，對射頻前端組件的安全性構成了嚴重的威脅．因此，研究電磁環(huán)境效應及其防護對策，已成為當今各工業(yè)發(fā)達國家研究的重要課題之一[1]．強電磁脈沖不會引起射頻前端立刻失效、癱瘓，但會影響射頻前端的接收能力，減少射頻前端的壽命，使可靠性下降．如文獻[2]研究了微波脈沖對低噪聲放大器的效應機理，得出了低頻時低噪聲放大器更容易損傷．文獻[3]研究了幾種典型半導體的EMP損傷效應與機理，得出了當注入信號功率超過一定值時，LNA的噪聲系數(shù)明顯增加，增益下降，當信號功率達到某一臨界值時，LNA噪聲系數(shù)、增益嚴重惡化，功能喪失．文獻[4]研究了強電磁環(huán)境電子器件效應閾值，得出了電子系統(tǒng)的性能下降或損傷由其薄弱環(huán)節(jié)決定，得到的數(shù)據(jù)和規(guī)律為電子系統(tǒng)敏感度分析和電子設備抗強輻射加固提供參考數(shù)據(jù)，并可預估電子系統(tǒng)的效應閾值．

本文基于ADS射頻前端仿真軟件，在搭建低噪聲放大器的物理模型基礎上結合Silvaco-TCAD電路聯(lián)合仿真，研究在強電磁輻射場作用下，電磁脈沖場對典型器件的物理過程與干擾、損傷機理[5]．

1 理論分析

射頻前端目的是保證有用的射頻信號能完整不失真地從空間拾取出來，并輸送給后級的變頻、中頻放大等電路，在半導體仿真過程中，需要利用泊松方程、電流連續(xù)性方程、運輸方程進行求解[6]．

1.1 泊松方程

式中：?為拉普拉斯算符（哈密頓算符的平方），ε為介電常數(shù)，??為靜電勢，q為單個電子的電荷量，p和n分別表示空穴和電子密度，ND和NA分別表示電離施主和電離受主密度，通過泊松方程可以求得器件內(nèi)部的靜電勢分布[7]．

1.2 電流連續(xù)性方程

在有電荷流動的導體內(nèi)任取一閉合曲面S，dt時間內(nèi)通過S向外凈流出的電荷量應等于同一段時間內(nèi)S內(nèi)電荷量的減少，這稱為電流連續(xù)性方程[8]．

式(2)，式(3)表示電子和空穴的連續(xù)性方程，用來描述電荷守恒，Rnet表示凈的復合率，n與p分別代表電子與空穴的濃度．

1.3 運輸方程

低噪聲放大器核心部件是BJT半導體[9]，強電磁脈沖與BJT熱力的仿真模型主要用運輸方程公式（4）～（7）進行描述，μn和μp分別表示電子和空穴遷移率，Φn和Φp分別表示電子和空穴準費米勢，Pn和P表示絕對熱電功率：

2 仿真模型

2.1 器件工藝仿真

本文選用射頻前端核心組件低噪聲放大器進行仿真，器件采用P型單晶硅襯底，通過離子注入進行n型摻雜，濃度為1×1015/cm3，結深為0.4 μm．設置器件厚度為50 μm，寬度為20 μm，其摻雜分布如圖1所示．

本文器件電路聯(lián)合仿真采取上述的器件結構，仿真利用ADS軟件模擬強電磁脈沖條件下對低噪聲放大器電路所產(chǎn)生的效應，用TCAD進行器件的工藝仿真，器件寬度設置為5×106 μm，可以算出半導體內(nèi)部的熱量分布情況．以Avago公司的ATF54143為仿真對象，對此進行建模，模型參數(shù)如表1所示．

使用Avago公司的ATF54143晶體管，設計的低噪聲放大器的電路圖如圖2所示．頻率范圍為2.4 GHz左右，其性能指標為：噪聲系數(shù)小于1 dB，增益大于13 dB，輸入輸出駐波比小于2，輸入輸出反射系數(shù)小于-12 dB．

表1 模型的參數(shù)Tab 1 Model parameters

圖1 半導體摻雜分布圖Fig 1 Doping distribution map of semiconductor

圖2 低噪聲放大器電路圖Fig 2 Low noise amplifier circuit diagram

2.2 強電磁脈沖模型

本文采用的強電磁脈沖波形采用國標IEC61000-2-9方波脈沖波形[10]，方波波形有利于獲得半導體器件的非線性效應，容易計算半導體器件的損傷機理，上升時間2.5 ns，峰值50 kv/m，半寬高取23 ns，電場強度可以用雙指數(shù)函數(shù)進行表示：

式中：E0為峰值場強；α，β分別為下降沿和上升沿的數(shù)學參數(shù)；k為修正系數(shù)．強電磁脈沖波形的參數(shù)：上升時間tr為2.5 ns，下降沿α為4×107S?1，上升沿β為6×108S?1，修正系數(shù)k為1.3，峰值時間tmax為4.83 ns．

強電磁脈沖波形是對電場強度的描述，入射到電路中需要轉換成電壓[11]．仿真中將強電磁脈沖等效為一個電壓源，電場強度的1 V/m對應于這個電壓源的1 V電壓，因此，入射強電磁脈沖的電場強度和這個電壓源的電壓在數(shù)值上是相等的．強電磁脈波形如圖3所示．

圖3 強電磁脈沖波形圖Fig 3 Strong electromagnetic pulse waveform

3 場效應管仿真

射頻前端的主要器件是低噪聲放大器，低噪聲放大器受到強電磁波易被擊穿，主要有兩種情況容易擊穿，一種是柵極擊穿；另一種是柵源兩極擊穿；仿真時判斷是否擊穿的標準是兩極能否達到熔點，然后分析場效應管與強電磁脈沖之間的關系[12]．

3.1 柵極的擊穿

強電磁脈沖是一種場強急速上升的波，給場效應管注入強電磁脈沖時，當波場強達到一定程度時，柵極首先達到熔點，然后被擊穿熔化．經(jīng)測量此時的場強閾值，燒毀時間為6.63 ns，此時的場強閾值為4 989 V/m．

在仿真過程中，當?shù)驮肼暦糯笃髯⑷霃婋姶琶}沖時，柵極、源極、基極電壓立刻上升，之后保持穩(wěn)定，持續(xù)的注入過程中，柵極的溝道內(nèi)產(chǎn)生大量電子，使得電場越來越大[13]．因為電子中帶有能量且大量分布在電極上，所以兩極所帶的能量越來越高，達到一定程度時可導致器件被擊穿，柵極擊穿時刻場效應管內(nèi)部熱量分布如圖4所示．

圖4 柵極擊穿時刻場效應管內(nèi)部熱量分布圖Fig 4 Heat distribution map in FET at gate breakdown time

3.2 源柵極的擊穿

強電磁脈沖給場效應管注入時，柵極被擊穿后依然保持注入，當波場強小于柵極擊穿時的場強閾值時，柵源極有可能達到熔點，然后被擊穿熔化．經(jīng)測量此時的燒毀時間為12.86 ns，場強閾值為1 550 v/m．在仿真過程中，柵極溫度上升到一定的程度之后，開始有所減退，當注入脈沖時間在13秒左右，即場強從峰值開始降下來的時候，柵源極之間仍有大量剩余電子流向源極，使源極充滿能量，靠近源極的地方產(chǎn)生大量的熱量，使得溫度迅速上升，最終場效應管擊穿[14]．源柵極擊穿時刻場效應管內(nèi)部熱量分布如圖5所示．

4 結 論

強電磁脈沖從柵極注入時，可以在柵極和源極之間產(chǎn)生脈沖，脈沖所帶來的瞬時能量可使柵極和源極溫度升高，強電磁脈沖就會擊穿導電通道，導致低噪聲放大器的熱損傷，同時兩極還存在被擊穿的可能．