Electromagnetic compatibility of semiconductor devices exposed to transitionradiation

Abstract

The subject of the paper is an analysis and a physical model of the occurrence of reversible failures in semiconductor diodes (when current-voltage characteristics of the devices are influenced by electromagnetic radiation (EMR)). The model is based on the mechanism with which the energy of currents induced by external EMR is converted into the energy of natural electromagnetic oscillations of solid-state components of radio units (transition radiationeffect).The aim of the paper is to justify experimental studies on the basis of the proposed physical model of reversible failures (occurrence of negative resistance sections in current-voltage curve of semiconductor diodes). We determined external electromagnetic radiation and semiconductor device parameter ranges with which this physical modelcan be applied. We conductedsome experiments to study the influence of pulsed electromagnetic radiation on the current-voltage characteristics of direct current diode sections. The experiments justified the presence of areas with negative differential resistance characteristic for the natural oscillation generation mode (an increase in forward current when the voltage drops).Our objectives are to perform experimental study of interactions betweenthe currents induced by external EMR and electrostatic oscillations of a semiconductor structure. Such interactionsresults from conversion of energy of moving charges (induced currents) into energy of electromagnetic oscillations under conditions of transition radiation when the particle flux goes along the normal to asemiconductor structure boundary. The methodsused areanalytical methods, i.e.solving Maxwell's equations and medium equations in the framework of the hydrodynamic approach. The followingresults wereobtained. Experimental studies of behavior of semiconductor components of electrical radio units exposed to strong pulsed electromagnetic fields have been carried out. The nature of changes in the performance of semiconductor components has been studied. It has been shown that the impactof pulsed electromagnetic radiation is accompanied by currents in the conductive elements of the units. We define here a certain type of reversible failures of semiconductor radio units. Failures of this type occur due to interaction between the external radiation inducedcurrents and own fields of radio equipment components. Such failures occurs in presence of transition radiation (when the current is directed along the normal to the boundary of the unit). Wearguethat suchinteractionslead to energy losses ininduced currents due to excitation of natural oscillations in the units, i.e. the units enters an oscillation generation mode, which is characterized by a change in the current-voltagecharacteristics of radio devices. With the results of comparative analysis of the experimental and calculated data obtained in this work,it is possible to use the proposed physical model of reversible failures and calculated derived relationships to determine criteria of occurrence and quantitative characteristics of reversible failures insemiconductor diodes exposed topulsed electromagnetic radiation (occurrence of S-shaped sections of direct current). Conclusion.The results obtained can be used to assess electromagnetic compatibility of active electronic devices (millimeter/submillimeter amplifiers, generators and transducers of electromagnetic oscillations) exposed toexternal pulsed electromagnetic fields. A comparative analysis of quantitative estimates of reversible failures of semiconductor devices depending on the spatial configuration of the affectingfield (the induced current is normal to the structure boundary) allows us to solve the problem of optimizing the degree of distortion inthe perating characteristics of these devices.Предметом вивчення є аналіз процесів і фізична модель виникнення оборотних відмов напівпровідникових діодів (впливу наведених електромагнітним випромінюванням (ЕМВ) струмів на вольт-амперні характеристики приладів). Дана модель базується на механізмі перетворення енергії наведених зовнішнім ЕМІ струмів в енергію власних електромагнітних коливань твердотільних комплектуючих радіовиробів (ефекті перехідного випромінювання). Мета - обґрунтування постановки експериментальних досліджень на базі запропонованої фізичної моделі оборотних відмов (появи областей вольт-амперних характеристик напівпровідникових діодів з негативним опором). Визначено області параметрів зовнішнього електромагнітного випромінювання і напівпровідникових приладів при яких реалізується дана фізична модель. Проведено експериментальні дослідження впливу імпульсного електромагнітного випромінювання на вольт -амперні характеристики ділянок прямого струму діодів. Вони показали наявність ділянок з негативним диференціальним опором, що характеризують режим генерації власних коливань (збільшення прямого струму при падінні напруги). Завдання: експериментальні дослідження взаємодії наведених зовнішнім ЕМІ струмів з електростатичними коливаннями напівпровідникової структури, заснована на реалізації перетворення енергії рухомих зарядів (наведених струмів) в енергію електромагнітних коливань в умовах перехідного випромінювання, коли потік частинок рухається по нормалі до межі напівпровідникової структури. Використовувані методи: аналітичні методи рішення рівнянь Максвелла і рівнянь середовища в рамках гідродинамічного підходу. Отримані наступні результати: Проведено експериментальні дослідження функціонування напівпровідникових комплектуючих електрорадіовиробів в умовах впливу сильних імпульсних електромагнітних полів. Вивчено характер змін працездатності напівпровідникових комплектуючих елементної бази технічних засобів. Показано, що вплив імпульсного електромагнітного випромінювання супроводжується виникненням струмів в провідних елементах виробів. Визначено один з типів оборотних відмов напівпровідникової елементної бази електрорадіовиробів, заснований на взаємодії струмів, наведених зовнішнім випромінюванням, з власними полями структур, комплектуючих виріб. Подібні відмови реалізуються в умовах перехідного випромінювання (струм спрямований по нормалі до межі структури). Показано, що дана взаємодія проводить до енергетичних втрат наведених струмів на збудження власних коливань структури, тобто появі режиму генерації коливань, який характеризується зміною вольт-амперних характеристик радіовиробів. Результати порівняльного аналізу, отриманих в даній роботі експериментальних і розрахункових даних, дозволяють використовувати запропоновану фізичну модель оборотних відмов і отримані на її основі розрахункові співвідношення для визначення критеріїв виникнення і кількісних характеристик оборотних відмов напівпровідникових діодів в умовах впливу імпульсного електромагнітного випромінювання. (Появі S-подібних ділянок прямого струму). Висновки. Результати, отримані в роботі, можуть бути використані при оцінці електромагнітної сумісності активних радіоелектронних приладів (підсилювачів, генераторів і перетворювачів електромагнітних коливань міліметрового та субміліметрового діапазонів) в умовах впливу зовнішніх імпульсних електромагнітних полів. Проведений в роботі порівняльний аналіз кількісних оцінок оборотних відмов напівпровідникових приладів в залежності від просторової конфігурації впливає поля (наведений струм нормальний кордоні структури) дозволяє вирішувати задачі оптимізації ступеня спотворення робочих характеристик даних приладів.