射頻前端組件強(qiáng)電磁輻射場效應(yīng)預(yù)測方法?

魏子鵬，范麗思，周 行，趙 強(qiáng)

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊050043)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空間中的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，除雷電、靜電等自然危害源之外，還有通信、雷達(dá)、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(fù)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(gòu)成了嚴(yán)重的威脅．因此，研究電磁環(huán)境效應(yīng)及其防護(hù)對策，已成為當(dāng)今各工業(yè)發(fā)達(dá)國家研究的重要課題之一[1]．強(qiáng)電磁脈沖不會(huì)引起射頻前端立刻失效、癱瘓，但會(huì)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(xiàn)[2]研究了微波脈沖對低噪聲放大器的效應(yīng)機(jī)理，得出了低頻時(shí)低噪聲放大器更容易損傷．文獻(xiàn)[3]研究了幾種典型半導(dǎo)體的EMP損傷效應(yīng)與機(jī)理，得出了當(dāng)注入信號功率超過一定值時(shí)，LNA的噪聲系數(shù)明顯增加，增益下降，當(dāng)信號功率達(dá)到某一臨界值時(shí)，LNA噪聲系數(shù)、增益嚴(yán)重惡化，功能喪失．文獻(xiàn)[4]研究了強(qiáng)電磁環(huán)境電子器件效應(yīng)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(shè)備抗強(qiáng)輻射加固提供參考數(shù)據(jù)，并可預(yù)估電子系統(tǒng)的效應(yīng)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(chǔ)上結(jié)合Silvaco-TCAD電路聯(lián)合仿真，研究在強(qiáng)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(jī)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(dǎo)體仿真過程中，需要利用泊松方程、電流連續(xù)性方程、運(yùn)輸方程進(jìn)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(gè)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(dòng)的導(dǎo)體內(nèi)任取一閉合曲面S，dt時(shí)間內(nèi)通過S向外凈流出的電荷量應(yīng)等于同一段時(shí)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(fù)合率，n與p分別代表電子與空穴的濃度．

1.3 運(yùn)輸方程

低噪聲放大器核心部件是BJT半導(dǎo)體[9]，強(qiáng)電磁脈沖與BJT熱力的仿真模型主要用運(yùn)輸方程公式（4）～（7）進(jìn)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(zhǔn)費(fèi)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(jìn)行仿真，器件采用P型單晶硅襯底，通過離子注入進(jìn)行n型摻雜，濃度為1×1015/cm3，結(jié)深為0.4 μm．設(shè)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(jié)構(gòu)，仿真利用ADS軟件模擬強(qiáng)電磁脈沖條件下對低噪聲放大器電路所產(chǎn)生的效應(yīng)，用TCAD進(jìn)行器件的工藝仿真，器件寬度設(shè)置為5×106 μm，可以算出半導(dǎo)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(jìn)行建模，模型參數(shù)如表1所示．

使用Avago公司的ATF54143晶體管，設(shè)計(jì)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(biāo)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(dǎo)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(qiáng)電磁脈沖模型

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

式中：E0為峰值場強(qiáng)；α，β分別為下降沿和上升沿的數(shù)學(xué)參數(shù)；k為修正系數(shù)．強(qiáng)電磁脈沖波形的參數(shù)：上升時(shí)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(shí)間tmax為4.83 ns．

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

圖3 強(qiáng)電磁脈沖波形圖Fig 3 Strong electromagnetic pulse waveform

3 場效應(yīng)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(qiáng)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(shí)判斷是否擊穿的標(biāo)準(zhǔn)是兩極能否達(dá)到熔點(diǎn)，然后分析場效應(yīng)管與強(qiáng)電磁脈沖之間的關(guān)系[12]．

3.1 柵極的擊穿

強(qiáng)電磁脈沖是一種場強(qiáng)急速上升的波，給場效應(yīng)管注入強(qiáng)電磁脈沖時(shí)，當(dāng)波場強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，柵極首先達(dá)到熔點(diǎn)，然后被擊穿熔化．經(jīng)測量此時(shí)的場強(qiáng)閾值，燒毀時(shí)間為6.63 ns，此時(shí)的場強(qiáng)閾值為4 989 V/m．

在仿真過程中，當(dāng)?shù)驮肼暦糯笃髯⑷霃?qiáng)電磁脈沖時(shí)，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?yàn)殡娮又袔в心芰壳掖罅糠植荚陔姌O上，所以兩極所帶的能量越來越高，達(dá)到一定程度時(shí)可導(dǎo)致器件被擊穿，柵極擊穿時(shí)刻場效應(yīng)管內(nèi)部熱量分布如圖4所示．

圖4 柵極擊穿時(shí)刻場效應(yīng)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(qiáng)電磁脈沖給場效應(yīng)管注入時(shí)，柵極被擊穿后依然保持注入，當(dāng)波場強(qiáng)小于柵極擊穿時(shí)的場強(qiáng)閾值時(shí)，柵源極有可能達(dá)到熔點(diǎn)，然后被擊穿熔化．經(jīng)測量此時(shí)的燒毀時(shí)間為12.86 ns，場強(qiáng)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(dāng)注入脈沖時(shí)間在13秒左右，即場強(qiáng)從峰值開始降下來的時(shí)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(yīng)管擊穿[14]．源柵極擊穿時(shí)刻場效應(yīng)管內(nèi)部熱量分布如圖5所示．

4 結(jié) 論

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