CMOS与非门的HPM效应研究

发布时间：2020-03-21 05:42

【摘要】：在如今这个科学技术迅猛发展的信息化时代,随着无线通信系统应用越来越广泛,并且由于半导体技术发展引起的特征尺寸的减小,使得电子系统处在一个日益复杂的电磁环境中而受到了极大的威胁。而本文所研究的高功率微波(high power microwave,HPM)就是电磁环境产生源的一种,它是一种高功率、高频率的电磁波,可以很容易的通过耦合的方式进入到电子系统内,而且其作用时间之短、作用范围之大、毁灭性之强及发展速度之快都是现代科研人员无法忽视的问题。而且就目前的半导体器件和集成电路而言,由于技术发展而出现的越来越小的尺寸、越来越高的运行速度及越来越低的功耗,使得其对快速发展的电磁环境日益敏感,因此研究高功率微波技术和电子系统针对HPM的防护方法已经越来越重要,但是在研究防护技术之前一定要掌握器件的基本特性、HPM效应及其机理。CMOS与非门作为现代数字集成电路系统的一种基本逻辑单元,以及其被应用的普遍性成为了本论文研究的对象,又对其在注入了HPM后产生的扰乱效应和损伤效应进行了一系列研究,主要研究内容和成果如下:1.本文基于软件Sentaurus-TCAD建立了0.35μm工艺下的CMOS与非门的仿真模型,并对模型进行了网格划分。采用了通过一系列基本的半导体物理方程求解的数值计算模型,构建了高功率微波可近似等效的无衰减的正弦波电压信号。基于所建立的模型,在CMOS与非门的不同端口(源、漏和栅)的HPM作用下研究其失效模型,包括功能扰乱和损伤效应。2.对于扰乱效应,理论和仿真结果表明由于器件内部形成的PN结正偏,导致大量载流子流入衬底形成的电流通路引起了闩锁效应,使得与非门出现了功能异常;对于损伤效应,电场强度、电流密度以及温度的分布情况说明了造成损伤的根本原因是强电场和高电流密度引起的大量焦耳热产生了高温热斑而导致与非门熔融烧毁。注入端口不同导致器件形成闩锁通路的过程会不同,而且HPM耦合方式不同、信号引入路径不同导致器件的损伤现象也会不同,其物理过程及产生机理自然也存在着差异。除了单端口注入外本文还研究了多端口注入,结果表明,源漏端同时注入时器件更易发生熔融烧毁,源衬端同时注入时能够抵抗扰乱效应的发生。3.在分析了HPM作用下CMOS与非门扰乱效应的基础上,又讨论了对扰乱效应的影响因素,首先研究了在不同温度下,与非门的功能扰乱效应的变化规律,结果表明扰乱效应对温度的敏感性很高,在所研究的温度范围内,温度越高扰乱效应越容易发生。论文还研究了HPM信号占空比、脉冲重复频率以及器件N阱深度对扰乱效应的影响,结果表明,在相同脉冲周期下,脉冲占空比越大扰乱效应越容易发生;脉冲的重复频率越高,则越易发生积累效应且扰乱功率阈值越小;而CMOS与非门的N阱深度可以增加抵抗扰乱效应的能力。本文针对CMOS与非门在微波信号注入情况下的功能扰乱效应和损伤效应以及机理和扰乱效应影响因素的研究,为今后对半导体器件及数字集成电路系统的高功率微波的加固防护方法提供了一定的理论基础。
【图文】：

范围图,电磁脉冲,炸弹,场强

西安电子科技大学硕士学位论文2图1.1 电磁脉冲炸弹高空爆炸的场强范围图高功率微波可以简单定义为峰值输出功率大于 100 MW、频率在 1~300 GHz 之间的电磁波[4]。其具有峰值功率高、脉冲宽度短（几十纳秒）和重复频率低等特点，在电子信息和军事对抗领域受到了广泛的重视。HPM 易于通过天线的接收端（即前门）或设备的导线、动力电缆、失效的屏蔽部件甚至屏蔽箱上的孔洞（即后门）耦合到电子系统，导致电子系统产生强烈的非线性效应，从而造成电子系统暂时或者永久的故障，严重时可能造成系统的物理性毁伤。1985 年美国提出的空间武器计划就包含了针对 HPM 的专项研究[5]。而后美国军方又在相关后续计划中提出针对飞机、坦克、雷达等多种军事装备的 HPM 研制计划[6]。而对于高功率微波武器等一些新定义的电子武器的迅猛发展，及目前雷达和无线通信系统的大范围应用使电子系统面临的电磁环境越来越复杂，，除此之外对于半导体器件和集成电路，不断缩小的特征尺寸、不断降低的功耗和不断提高的工作频率让其对电磁能量的敏感、易损性与日俱增。所以研究 HPM 对电子系统的扰乱和损伤效应及防护已经成为现在研究人员越来越重视的问题。而对于现代电子系统的核心部分多为超大规模数字电路，CMOS 工艺以其低功耗、高噪声容限、高集成度等优点，已成为现代数字电路的主流工艺技术，而 CMOS 与非门作为数字电路一种基本的逻辑单元

带状电缆,样式,电压信号,感应曲线

-1。图3.3 带状电缆上的耦合电压信号样式杨雨川等人[49]利用矩量法分析了单极天线对几种典型电磁脉冲的响应，并计算了电磁脉冲信号通过天线耦合产生的感应信号频谱响应和时域瞬态响应，研究结果表明，窄带脉冲的感应曲线相似于入射脉冲，并且脉冲带宽越窄，这种感应曲线就越接近入射脉冲。本文所研究的窄带 HPM 更相似于正弦波，所以其耦合电压能够近似等效为无衰减的正弦波电压信号，该信号可表示为： πfttτttτtttτtEEπfttttτπftttttEEtinc011111000110110sin(2),22sin(2),sin(2),0( )(3-31)其中，f 是载波频率，为信号的初始相位
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

【参考文献】