Моделирование физических процессов в полупроводниковых структурах при воздействии мощных электромагнитных импульсов

• Автор: Мещеряков, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 174 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МОДЕЛИ ПОРАЖЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

1.1 Тепловые модели поражения однократным импульсом

1.1.1 Модели Вунша-Белла-Таска

1.1.2 Модель внешнего теплового потока

1.1.3 Анализ приближений тепловых моделей

1.2 Статистическая модель накопления повреждений

1.2.1 Математическое описание

1.2.2 Анализ приближений модели

1.3 Особенности воздействия импульсным электромагнитным излучением
1.3.1 Об используемой терминологии
1.3.2 Температура теплового поражения
1.3.3 Область субнаносекундных импульсов
1.4 Диффузионно-дрейфовое тепловое приближение
Выводы к первой главе
ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ ЗАДАЧИ
2.1 Математическая модель полупроводниковой структуры
2.2 Модели физических параметров полупроводников
2.2.1 Запрещенная зона и собственная концентрация примеси
2.2.2 Подвижность носителей заряда
2.2.3 Генерация, рекомбинация и время жизни носителей заряда .
2.2.4 Частичная ионизация примеси
2.2.5 Тепловые свойства
2.3 Учет активного сопротивления приемной антенны
2.4 Схемы дискретизации и алгоритмы моделирования
2.4.1 Пространственно-временная дискретизация
2.4.2 Алгоритмы вычислений
2.4.3 Генерация конечно-разностной сетки
2.5 Программная реализация численной модели
Выводы к второй главе
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОДНОКРАТНОГО ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
3.1 Статические характеристики структур
3.2 Воздействие высокочастотного импульса
3.3 Воздействие сверхширокополосного импульса
3.4 Эквивалентность воздействий различными импульсами
3.4.1 Структура с барьером Шоттки
3.4.2 Биполярнаяр-п-переходная структура
3.4.3 Эквивалентность воздействия
3.5 Влияние антенны и схемы измерения
Выводы к третьей главе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОЛИИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
4.1 Динамика релаксации температурного поля
4.2 Импульсно-периодический режим силового воздействия ЭМИ .
4.2.1 Диодные структуры при мощном полиимпульсном СВЧ-воздействии
4.2.2 Логические состояния интегральных схем при мощном полиимпульсном СШП-воздействии
Выводы к четвертой главе
ГЛАВА 5. ВЕРИФИКАЦИЯ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ
5.1 Результаты экспериментальной верификации
5.2 Границы применимости аналитических моделей
5.2.1 Модель Вунша-Белла
5.2.2 Модель внешнего теплового потока
5.2.3 Модификация обобщенной модели Вунша-Белла-Таска.
Выводы к пятой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Форматы файлов входных данных системы ЗГ)САП- 1Н
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Примеры моделирования биполярной полупроводниковой структуры в системе ВОСАБ-Ш

ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена важной научной проблеме - созданию и развитию методов и средств моделирования физических процессов в полупроводниковых структурах в условиях мощного (силового) электромагнитного воздействия, направленных на решение задачи определения и обеспечения стойкости электронной компонентной базы различной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) к данному воздействию.
Актуальность темы. Конец 90-х - начало 2000-х годов ознаменовались появлением новых видов достаточно компактных и в то же время весьма мощных генераторов импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ). Данные устройства, с одной стороны, явились основой для создания высокоэффективного оружия неядерной генерации мощного ЭМИ, способного создавать кратковременные (от долей наносекунды до десятков наносекунд) потоки излучения с очень высокой плотностью энергии. Это позволило наряду с традиционными средствами радиоэлектронной борьбы осуществлять нанесение электронных ударов с целью вывода из строя в виде физического разрушения (теплового поражения) РЭА на расстояниях до нескольких десятков километров, в том числе устройств в выключенном состоянии [1]. С другой стороны, аналогичные системы в силу своих достаточно приемлемых массогабаритных показателей стали основой портативной аппаратуры преднамеренного воздействия в террористических или криминальных целях, где в первую очередь рассматривается возможность создания временного нарушения штатной работы устройств в виде функционального сбоя, маскируемого под обычные неполадки электроники [2-5].
Сложившаяся ситуация стимулирует, соответственно, новый виток исследований влияния преднамеренного импульсного ЭМИ на РЭА различного назначения, получивший "системный" уклон из-за необходимости экспериментального определения уровней воздействия на сложную аппаратуру (приемо-передающая аппаратура, персональные компьютеры, системы управления, вычислительные сети и т.д.), ориентированную на обработку информации, и их отражения в нормативных документах, например, [6, 7], а в различных источниках все чаще звучат словосочетания "функциональное поражение" и "электромагнитный терроризм". Как следствие возникают попытки создания новых моделей [8], основанных на многоуровневом иерархическом подходе с учетом специфики функционально-логических характеристик современной высокоинтегрированной электронной компонентной базы в контексте проблемы обеспечения ее стойкости к мощному ЭМИ.
В погоне за "системностью" подходов к моделированию воздействия импульсного ЭМИ важность исследований физических процессов, протекающих в данных условиях в отдельных полупроводниковых структурах, постепенно уходит на задний план. В качестве аргументов "правильности" этой тенденции указывается [8], что программы численного моделирования на физико-топологическом уровне дорогостоящи и не могут быть ориентированы на широкий круг разработчиков электронной компонентной базы, их использование требует детального знания особенностей технологического процесса изготовления структур, а практическое применение данных моделей носит избыточный характер в силу наличия относительно простых частных физических моделей.

ГЛАВА
ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ ЗАДАЧИ
Численное моделирование любой полупроводниковой структуры является достаточно сложной задачей, характеризующейся необходимостью оптимизации ряда противоречивых условий как в физическом, так и в математическом плане. С одной стороны, требуется обеспечить определенную точность моделирования, что влечет за собой усиление детализации описания структуры и используемых моделей физических параметров и, как следствие, усложнение методов численного расчета применительно к ЭВМ. С другой стороны, численные модели должны иметь приемлемую экономичность во избежание значительных затрат машинного времени и оперативной памяти. В итоге несмотря на то, что численное моделирование в последнее время весьма бурно развивается, до сих пор нет единого универсального подхода для всех типов структур и видов анализа.
Данная ситуация приводит к необходимости формирования обоснованно достаточных требований для вновь создаваемых модельных описаний применительно к той или иной проблеме. В нашем случае набор основных требований1 видится следующим:
- для полупроводниковой структуры расчетная задача должна рассматриваться как электротепловая с внутренними источниками и приемниками тепла, формируемыми возникающими электрическими процессами, протекающими в структуре под воздействием внешнего импульсного ЭМИ;
- модельное описание должно обеспечивать возможность "непрерывного" расчета характеристик полупроводниковой структуры от области рабочих режимов эксплуатации до теплового поражения при любом значении длительности импульса ЭМИ на едином математическом ядре вычислений;
- при расчетах следует рассматривать структуру, изначально не выделяя "особые" области рассеиваемой мощности и не исключая из рассмотрения остальные. Иными словами, следует отказаться от "принудительного" определения области локализации тепловой энергии, свойственного тепловым моделям;
- граничные условия рассматриваемой краевой задачи должны быть отнесены к контактам структуры (как физически единственным действительно неподвижным границам) для унификации рассмотрения различных исследуемых режимов воздействия (однократный импульс, импульсно-периодическое воздействие и др.), а также учета возможного динамического перераспределения электротепловых характеристик внутри структуры;
- в силу больших значений токов, возникающих под воздействием мощного ЭМИ не только в самой структуре, но и в непосредственно связанных с ней элементах системы, необходимо учесть активное сопротивление приемной антенны или генератора импульса, так как часть внешней воздействующей мощности в данных условиях будет приходиться на них, приводя к искажению энергомощностных характеристик теплового разогрева.
1 Перечисленные требования не претендуют на полноту в рамках исследуемой проблемы, однако характеризуют принципиальные отличия от ранее известных моделей теплового поражения полупроводниковых структур.