CC BY
265
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ М.И. Горлов, Д. А. Денисов
В данной статье рассматривается влияние электромагнитного излучения (ЭМИ) на работу полупроводниковых изделий (ППИ). Экспериментально исследовано влияние высокочастотного ЭМИ на биполярные транзисторы МП16Б, КТ3107Б, ГТ322А. Установлено, что для всех исследованных транзисторов изменяются информативные параметры при ЭМИ, причем это изменение зависит от плотности потока энергии излучения. Делается попытка качественного объяснения наблюдаемых явлений
Ключевые слова: электромагнитное излучение, полупроводниковое изделие, биполярный транзистор
Изучение влияния электромагнитного излучения (ЭМИ) на работу полупроводниковых изделий (ППИ) представляет интерес как для понимания физических процессов в этих изделиях, так и для определения возможностей практического использования.
Вопросы надежности ППИ, повышения процента выхода годных изделий, стабильности параметров остаются весьма актуальными. Обычно они решаются на этапах изготовления -усовершенствованием технологических процессов, конструкции и - в итоге - отбраковкой ненадежных изделий [1].
При облучении материалов и приборов, составляющих основу элементной базы радиоэлектронной аппаратуры, в них могут протекать различные процессы, приводящие к временному или постоянному изменению их электрофизических свойств.
Эти процессы приводят к изменению параметров элементной базы и характера функционирования блоков и узлов в радиоэлектронной аппаратуре. Кроме того, современное развитие микроэлектронной базы направлено на повышение быстродействия и экономичности электронных устройств, следствием чего является уменьшение размеров активных элементов и толщин слоев в планарных структурах. В результате существенно возрастает роль состояния поверхности и границ раздела разнородных материалов, таких как металл-полупроводник, диэлектрик-полупроводник и полупроводник-полупроводник (разного состава или уровня легирования).
При прохождении ЭМИ через ППИ значительная часть энергии будет рассеиваться, и поглощаться в неоднородностях и вызывать
Г орлов Митрофан Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-76-95, e-mail: m-gorlov@inbox.ru Денисов Дмитрий Александрович - ВГТУ, соискатель, тел. (473) 243-76-80, e-mail: 6780322@gmail.com
изменения электрофизических характеристик. В результате это может привести к кратковременному или долговременному изменению в функционировании активного элемента, параметры которого зависят от физического состояния структурной неоднородности.
При этом особый интерес представляет процесс перехода электромагнитной энергии в кинетическую энергию атомов решетки и носителей заряда полупроводника. От этого процесса в значительной степени зависит работоспособность прибора после воздействия на него ЭМИ. Как показывают исследования, воздействие ЭМИ на ППИ вызывает в них достаточно большие перепады температуры, что приводит к разного вида пробоям р^-переходов [2].
В данной статье рассматривается влияние ЭМИ на ряд отечественных биполярных транзисторов. Результаты проведенных экспериментов недостаточны для полного объяснения наблюдаемых явлений, в связи с чем объяснение этих явлений не претендует на полноту и законченность и носит дискуссионный характер. Его следует рассматривать как одно из возможных.
В экспериментах по исследованию влияния ЭМИ на биполярные структуры исследовались транзисторы различного частотного диапазона МП16Б, КТ3107Б, ГТ322А. Характер и степень воздействия оценивались по различным параметрам: статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером, напряжение насыщения коллектор-эмиттер, напряжение насыщения база-эмиттер.
Транзистор МП16Б - германиевый сплавной p-n-p типа, переключательный, низкочастотный маломощный Предназначены для применения в схемах переключения и формирования импульсов. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами.
Транзистор КТ3107Б - кремниевый эпитаксиально - планарный, p-n-p типа, усили-
тельный с нормированным коэффициентом шума на частоте 1 кГц. Предназначен для применения в усилителях, генераторах низкой и высокой частот, переключающих устройствах.
Транзистор ГТ322А - германиевый диффузионно-сплавной, р-п-р типа, усилительный с нормированным коэффициентом шума, высокочастотный, маломощный. Предназначен для работы в усилительных схемах. Выпускается в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами.
Для каждого прибора сначала были измерены коэффициенты усиления по току в схеме с общим эмиттером:
для МП16Б: Ь21Э при 1К =10мА и 1Б =1мА Иэб =1В;
для КТ3107Б: Ь21Э при 1К =10мА и 1Б =0,5мА иЭБ =5В;
для ГТ322А: Ь21Э при 1К =10мА и 1Б =1мА Иэб =5В.
А также измерили напряжение насыщения коллектор-эмиттер, напряжение насыщения база-эмиттер:
для МП16Б: иЭК, иЭБ при 1К =10мА и 1Б =1 мА;
для КТ3107Б: иЭК, Иэб при 1К =10мА и 1Б =0,5 мА;
для ГТ322А: иЭК, Иэб при 1К =10мА и 1Б =1 мА;
Параметры транзисторов измеряли на приборе Л2 - 70.
Было проведено воздействие сверхвысокочастотным ЭМИ с плотностью потока энергии 5,7 кВт/м2 с последующим измерением значения Ь21, Иэк, Иэб.
Дополнительно было проведено воздействие сверхвысокочастотным ЭМИ с плотностью потока энергии 11,3 кВт/м2 с последующим измерением значения Ь2ь Иэк, Иэб.
Данные измерений параметров транзистора типа ГТ322А до и после облучения электромагнитным полем с плотностью потока энергии 5,7 кВт/м2 и 11,3 кВт/м2 приведены в табл. 1, МП 16Б - в табл. 2, КТ 3107Б - в табл. 3.
Таблица 1 Параметры транзистора ГТ322А
№ т р Ибэ, мВ Икэ, мВ Ь21э
до 5,7 11,3 до 5,7 11,3 до 5,7 11,3
1 384 369 - 493 539 - 72 91,2 -
2 385 371 362 508 543 562 96,2 104 123
3 388 372 370 453 498 505 56,5 60,2 63,3
4 433 425 420 449 464 481 80 95,3 101
5 401 398 387 563 603 648 78,8 89,3 90,9
Таблица 2 Параметры транзистора МП16Б
№ тр Ибэ, мВ ию, мВ Й21э
до 5,7 11,3 до 5,7 11,3 до 5,7 11,3
1 251 250 214 57,7 71,9 73 58,5 54,9 39,5
2 264 247 209 65,4 84,9 92,3 65,4 48,8 25,7
3 265 254 211 53,1 78,5 84,7 96,2 40,3 28,3
4 281 263 216 64,1 90,2 119 69 40,1 28,8
5 234 229 214 41,8 41,8 41,9 99,1 91,8 89,3
Таблица 3 Параметры транзистора КТ3107Б
№ Ибэ, мВ Икэ, мВ Ь21э
тр до 5,7 11,3 до 5,7 11,3 до 5,7 11,3
1 746 678 668 70,8 75,2 77,2 180 184 204
2 745 684 674 66,4 70,5 72,5 138 142 153
3 743 706 687 67,5 69,8 71,8 188 190 197
4 748 656 644 67,9 72,6 74,6 137 137 154
5 739 658 647 71 74,9 76,9 165 167 187
Построены зависимости коэффициента усиления транзисторов от внешнего воздействия. Как известно наблюдаемый разброс значений Ь21 связан с различной степенью исходной дефектности структуры изделий.
140
120
юо
80
—тр№1 -тр№2 —тр№3 —тр№4 —тр№5
а)
ТрМ91
тр№2
тр№3
тр№4
тр№5
б)
220 -і 200 180 160 140 120 юо —
— тр№1
— тр№2 -тр№3 ■тр№4 -тр№5
в)
Рис. 1. Зависимость коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером от воздействия ЭМИ для транзисторов: а) ГТ322А; б) МП16Б; в) КТ3107Б
Из представленных графиков видно, что при воздействии на транзисторы ЭМИ значение коэффициента усиления по току уменьшилось для транзисторов МП16Б, а для транзисторов типа КТ3107Б и ГТ322А наоборот увеличивалось.
Изменение коэффициента усиления по току у германиевых транзисторов (среднее для МП16Б 34,7%, среднее для ГТ322А 21,6%) оказалось больше, нежели у кремниевых транзисторов (среднее для КТ3107Б 10,9%)
Изменение коэффициента усиления по току у высокочастотных транзисторов (среднее для ГТ322А 21,6%, среднее для КТ3107Б 10,9%) оказалось меньше, нежели у низкочастотных транзисторов (среднее для МП16Б 34,7%)
-после 5,7 кВт/м2 -после 11,3 кВт/м2
№ транзистора
а)
- после 5,7 кВт/м2 -после 11,3 кВт/м2
б)
-до испытании -после 5,7 кВт/м 2 -после 11,3 кВт/м2
Рис. 2. Зависимость напряжения насыщения база-эмиттер от воздействия ЭМИ для
транзисторов: а) ГТ322А; б) МП16Б; в)
КТ3107Б.
Уменьшение ибэ при 5,7 кВт/м2 и 11,3 кВт/м2 соответственно:
- среднее для МП16Б 3,88% и 14,8%
- среднее для ГТ322А 2,84% и 1,03%
- среднее для КТ3107Б 9,1% и 1,87%
- после 5,7 кВт/м2 -после 11,3 кВт/м2
№ транзистора
а)
-до испытании - после 5,7 кВт/м2 -после 11,3 кВт/м2
№ транзи стора
б)
-до испытании -после 5,7 кВт/м2 -после 11,3 кВт/м2
в)
Рис. 3. Зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от воздействия ЭМИ для транзисторов: а) ГТ322А; б) МП16Б; в) КТ3107Б.
Увеличение икэ при 5,7 кВт/м2 и 11,3 кВт/м2 соответственно:
- среднее для МП16Б 28,6% и 10%
- среднее для ГТ322А 7,32% и 2,1%
- среднее для КТ3107Б 5,6% и 2,72%
У кремниевого транзистора выходы эмит-терного и коллекторного переходов на поверхность защищены слоем окисла, благодаря чему снижается роль рассмотренных процессов по сравнению с германиевыми транзисторами. Это приводит к меньшему влиянию ЭМИ на кремниевых транзисторов. Отмеченное обстоятельство находится в определенном согласии с результатами других авторов [3-5].
Падающее ЭМИ создает СВЧ токи и напряжения на всех выводах транзистора. В результате источниками тепловыделения становятся р-п-переходы.
Реальные транзисторы имеют, довольно сложную геометрию, что затрудняет сопоставление наблюдаемых эффектов с теоретическими выводами. Можно предположить, что наблюдаемые эффекты зависят в какой-то сте-
пени от геометрии, размеров, характеристик материала транзистора, т.е. носят конструктивный и технологический характер. Для получения более полной картины влияния ЭМИ на характеристики транзисторов, учитывающей перечисленные процессы и явления, требуются дальнейшие исследования.
Таким образом, на основе эффекта влияния ЭМИ на ППИ возможна разработка методов разбраковки партий транзисторов с помощью ЭМИ по надежности.
Литература
1. Горлов М.И., Данилин Н.С. Физические основы надежности интегральных схем: учеб. пособие / М.И. Горлов, Н.С. Данилин. - М.: МАКС Пресс, 2008. - 404 с.
2. Журавлев В. И., Алексеев В. Ф. Работоспособность полупроводниковых элементов в средствах связи. - Извести Белорусской инженерной академии, 1997, № 1 (3)/3, с. 54-51
3. Магда И.И., Блудов С.Б. и др. Исследование физических механизмов деградации изделий электромагнитной техники в мощных электромагнитных полях / Материалы 3-ей Крымской конференции «СВЧ-техника и спутниковый прием» (г. Севастополь, 1993), т. 5. с. 523-526.
4. Барановский О.К., Кучинский П.В., Лутковский В.М., Петрунин А.П., Савенок Е.Д.. Физика и техника п/п, 2001, т. 35, № 3.с. 352-356.
5. Требунских С.Ю. Эффекты пробоя воздействия СКИ ЭМИ в биполярных структурах / С.Ю. Требунских, В.Н. Левченко и др. // Радиолокация, навигация, связь: XIII Международ, науч.-техн. конф., - 2007 г. - Воронеж, 2007. - т. 2. с. 1582-1586.
Воронежский государственный технический университет
EFFECT OF ELECTROMAGNETIC RADIATION ON THE TRANSISTOR M.I. Gorlov, D.A. Denisov
This article examines the effects of electromagnetic radiation (EMR) on the operation of semiconductor products. The effect of high-frequency electromagnetic radiation on bipolar transistors МП16Б, КТ3107Б, ГТ322А. Found that for all the studied transistors vary informative parameters in the EMR, and this change depends on the magnitude of the radiation. An attempt is made of quality explaining the observed phenomena
Key words: electromagnetic radiation, solid product, a bipolar transistor
