3.2 电磁敏感器件的高功率信号干扰损伤效应

现代雷达系统的工作环境是异常复杂的，雷达接收系统的电子器件既面临传统的电子干扰/对抗等的影响，又受到强电磁脉冲（如核电磁脉冲、高功率微波）等的威胁。如图3.1所示，外部的电磁干扰信号可以通过前门耦合、后门耦合等方式进入接收系统，并在电路端口耦合产生电压和电流，作用在器件的核心半导体元器件（如PIN二极管、BJT管、肖特基管等）上，使其失效或损毁，从而使得整个雷达接收系统无法工作。

3.2.1 高功率信号

雷达接收系统工作时，其包含的敏感器件将受到两类外部电磁干扰源产生的干扰效应，一类是传统电磁干扰/对抗的外部信号，另一类是近年来发展较快的强电磁脉冲信号。

雷达接收系统面临的脉冲干扰信号主要是指强电磁脉冲/高功率电磁脉冲（High Power Electromagnetic Pulse，HPEMP）信号，它通常是指电磁强度超过100V/m的电磁脉冲，是电子系统最有可能面临的外部电磁威胁之一。它包括核爆炸产生的核电磁脉冲（High-altitude Nuclear EMP，HEMP）、高功率微波（High Power Microwave，HPM）、超宽带（Ultra Wideband，UWB）、电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）及雷电等信号源。图3.2所示是D.V.Giri等人给出的高功率电磁脉冲频谱分布。

在强电磁脉冲效应研究中，典型的两类外部干扰信号包括脉冲正弦波（脉宽为几十至几百纳秒）和阶跃脉冲，脉冲干扰信号参数取值范围如表3.1所示。

在雷达接收系统高功率信号干扰损伤效应研究过程中，通常通过正弦脉冲信号及伪随机脉冲干扰信号这两类高功率信号来模拟外部电磁干扰的影响，这两类高功率信号参数取值范围如表3.2所示。

需要说明的是，国内外发表的学术文章和国内大量研究工作已经表明，百纳秒级别脉宽的脉冲干扰信号已经可以使器件温度上升至半导体材料的熔点，导致器件发生永久性的不可逆损毁。而研究复杂电磁环境效应时，应避免器件发生永久性的不可逆损毁，需要降低信号幅值，或者减小脉宽时间。

3.2.2 高功率信号的器件损伤机理

依据电磁脉冲对电子系统和电子器件效应的破坏程度，可以将其分为干扰、扰乱、降级和损毁四个等级。其中干扰和扰乱是指电子系统在外部干扰源作用下无法正常工作，但干扰源消失后可以自行恢复（干扰）或者重启后恢复（扰乱）的瞬时或暂时性的效应；降级和损毁则是指电子系统在外部干扰源作用下性能下降（降级）或者完全失去工作能力（损毁）的永久性效应，为了表述方便，这两类永久性效应也被习惯性统称为“毁伤”效应，如图3.3所示。而这里所说的电磁环境效应损伤指的是在外部电磁信号的作用下，在信息处理层面造成对敏感器件的功能产生干扰，未对器件的物理层面造成永久性损伤。按照上述的四类分级，本节主要分析器件的“干扰”和“扰乱”效应。

半导体器件是雷达接收系统实现功能的关键部位，也是外部的电磁干扰信号对雷达接收系统实现破坏/干扰作用的易损部位。就雷达接收系统的敏感器件（限幅器、LNA和混频器）而言，其核心功能部件主要是PIN二极管（限幅器）、BJT管（LNA）和肖特基管（混频器）这三类半导体器件。外部电磁干扰信号对半导体器件的破坏机制主要包括PN结击穿和热效应。

1.PN结击穿

PN结的单向导通性是许多半导体器件实现功能的基础，通常情况下，对PN结加载反向电压时，只有非常小的反向电流通过PN结；当电压逐渐增大，达到击穿电压阈值时，PN结发生击穿，通过PN结的电流会急剧增大。导致PN结击穿的主要机制包括雪崩击穿、隧穿效应和二次击穿。

雪崩击穿是一种最为常见也最为重要的PN结场致击穿机制。当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随之增强，空间电荷区内的载流子（电子和空穴）在电场作用下获得的能量增大，不断与材料晶格中的原子发生碰撞。当载流子能量足够大时，有可能通过碰撞电离激发原本束缚在晶格中的电子，形成电子-空穴对，这些次生载流子在电场作用下再次加速发生碰撞电离，导致空间电荷区的载流子数目发生倍增，形成大的电流。当电流达到击穿电流临界值时，可以认为PN结发生了击穿。这种击穿机制被称作雪崩倍增或雪崩击穿。

隧穿效应也会导致某些器件发生结击穿，发生隧穿效应要求PN结处要有非常大的电场（对于Si来说通常要达到10⁶V/cm），这就要求PN结两侧的掺杂浓度很高，因此这种击穿机制通常发生在某些特定的高掺杂器件（如齐纳二极管）中。对于PN结而言，当击穿电压小于4E_g/q时（E_g是半导体材料的带隙，Si为1.12 eV，GaAs为1.42 eV），结击穿的主要机制是隧穿效应；当击穿电压超过6E_g/q时，击穿机制主要为雪崩击穿。

二次击穿是大功率晶体管器件失效的重要机制。上述的雪崩击穿和隧穿效应两种PN结击穿机制由电场引起，除了场致击穿，热不稳定性也会导致PN结击穿。尤其是当某些大功率晶体管器件处于高电压和大电流的情况下时，器件内可能会发生二次击穿现象。

二次击穿发生的标志是：器件电压突然减小，同时电流向内部集中。二次击穿通常分为四个阶段：当外部电压达到临界阈值时，发生雪崩击穿（一次击穿），伏安曲线上在击穿电压处会出现不稳定电流；第二阶段从高电压区转变为低电压区，此时热点处的电阻剧降；第三阶段是低电压大电流区，半导体处于高温下，在击穿点附近半导体呈现本征特性（热激发产生的本征载流子浓度与掺杂浓度相等）；第四阶段时器件内击穿处温度急剧上升，击穿处熔融，导致器件永久破坏。这一机制是大功率晶体管器件的重要失效机制，得到了广泛研究。

需要说明的是，场致击穿通常是可逆的，也是某些特定器件（如整流二极管、齐纳二极管）的工作原理，并不完全有害；但二次击穿则是不可逆的，会导致器件发生永久性破坏。

2.热效应

在外部强电磁脉冲的作用下，器件内部电流增大，产生的焦耳热逐渐累积，导致“热点”部位温度急剧升高。热效应会对器件性能造成严重影响，绝大多数半导体器件都有其正常工作温度，当温度超出工作温度区间时，过高的温度不仅会引起某些大功率半导体的二次击穿现象，也会影响其他器件的工作性能。正是由于温度对器件性能的决定性影响，目前，很多研究者都将器件内部温度作为判断器件失效与否的重要判据。

对于大多数的器件来说，温升是最为重要的失效机制和效应判据。对于Si材料器件，当温度升高到800K时，器件热激发产生的载流子浓度增大到与掺杂浓度相等，器件的PN结基本失效，对于某些大功率器件还有可能会引发热二次击穿等效应；当温度升高到1688K时，器件内部硅材料熔化造成永久性损毁。很多研究者都通过器件的产热机理、温升过程、热斑分布等来研究器件在HPEMP作用下的失效机制和损伤规律。

美国较早就在半导体器件热效应方面开展了系统的研究工作，其中Wunsch 和Bell利用材料受热模型分析了半导体器件在EMP作用下损伤功率和脉宽时间之间的规律，这一规律与实验结果相符，得到了广泛应用，并且被推广到HPM的效应研究中。理论分析和实验结果都表明，依据外部电磁脉冲持续时间T的长度，半导体器件的损伤过程可以划分为绝热阶段（T＜100ns）、有热传导的加热阶段（100ns＜T＜1ms）和热平衡阶段（T＞1ms）三种类型。在这三个阶段损伤功率和损伤时间之间分别服从不同的拟合曲线，如图3.4所示。

PN结击穿效应和热效应并非相互独立，而往往相互关联。从上述的分析中可以看出，温度变化既是一个重要的失效原因，又是一个被广泛采用的效应判据，在我们和其他研究者以往的工作中，有很多工作也都是通过器件温度的变化来判断器件损伤效应的。

3.2.3 影响效应的电磁干扰信号参数

外部干扰信号参数中，对效应结果影响比较大的参数主要有信号的幅值、脉宽、频率和波形。

1.幅值与脉宽

注入电压或电流信号的幅值（功率）对器件的效应影响很大，幅值较大的信号器件很可能在极短时间（十至几十纳秒）内将器件烧毁，此时器件内部与外部几乎没有热传递，是一个绝热过程。当注入信号幅值比较小时，器件升温的过程较慢，耗时较长，在此过程中有部分热量传递出去，因此需要更多的时间，并且时间增加的幅度要远大于功率下降的幅度，损伤功率和损伤所需时间曲线的斜率降低，如图3.5所示。随着功率的进一步下降，当单位时间内产生的热量与传导出去的热量相等时，器件达到平衡温度就不再升高。图3.5（a）、（b）是对 MOSFET注入不同幅值信号时，器件内最高温度随时间升高的情况，其中注入信号的幅值分别为10V、20V，可以看到这些器件内部最高温度最终分别在约600K 和约900K 处达到热平衡。对于MOSFET而言，在600K时失效的概率相对较小，但在900K时器件有很大的概率无法正常工作。

上面的分析同时也指出了外部干扰信号脉冲宽度对效应的影响，当干扰信号持续时间较短（脉宽较短）时，器件温升较小，可能还处于正常工作温度区间；随着干扰信号脉宽的增加，温升变大，超出正常工作温度区间时，器件将无法正常工作；随着脉宽的进一步增大，器件温度继续升高，有可能会烧毁导致永久性损伤。

2.频率

脉冲正弦波是一种常见的外部电磁干扰信号波形，不同频率正弦波对器件温升的影响也不相同。图3.6所示是通过数值模拟获得的某型 PIN 二极管在幅值相同、频率不同正弦波信号注入时的温升情况，可以看到随着频率的升高，器件烧毁（温度达到1688K）所需的时间更长。换言之，与低频信号相比，高频信号较难使PIN二极管烧毁。

3.信号波形

外部信号的波形也会对干扰效应造成影响。外部信号的波形描述参数有阶跃上升信号的上升沿、脉冲的形状（正弦信号、方波信号、三角波信号）等。这些参数的变化会引起器件电流响应的变化，也会对干扰效果产生影响。图3.7所示是计算得到的某型号PIN二极管注入不同上升沿的阶跃脉冲后，器件内部的电流波形和电流峰值随上升沿的变化情况，从图3.7（a）中可以看到，在电压上升期间，电流会迅速上升到一个相当大的数值；当电压达到稳定值后，电流逐渐回落并趋于稳定，这一现象就是PIN二极管在脉冲作用下的电流过冲现象。在脉冲上升阶段电流持续增大，脉冲上升沿时间越短，电流的峰值越大，电流的波形也越陡峭，如图3.7（b）、（c）所示。

图3.8所示是模拟得到的注入正弦波、方波脉冲和三角波三种不同形状信号后，BJT管的温度上升情况。可以看到，在信号幅值相同的情况下，方波脉冲作用下的器件最快被烧毁（温度达到1688K），三角波作用下的器件最慢。