近年来日趋复杂的电磁环境与尺寸不断缩小的现代集成电路间的相互作用问题已成为电磁脉冲技术与微电子可靠性领域的一个研究热点。其中高功率微波(high power microwave,HPM)是一种典型的电磁环境产生源,其功率和频率较高,并有着极快的作用时间与极大的作用范围,因而近年来在电子信息和军事对抗领域受到了越来越广泛的重视和研究。经由天线及设备外壳的缝隙、通风口等多种渠道,HPM可以很容易地进入系统内部,诱发电子系统产生强烈的非线性效应,造成电子系统暂时或者永久的性能退化及功能失效,严重时可以直接造成系统的物理性毁伤。另一方面,伴随半导体制造技术的持续推进,集成电路特征尺寸逐渐缩小,微电子电路和元器件对于外界有意或无意电磁干扰的敏感度和易损性也随之增加,针对电子系统的抗HPM设计方法需求也不断提高,因此就更有必要对电子系统和半导体元器件的HPM效应进行系统性的研究。本论文从现代数字集成电路中最基本的CMOS反相器单元入手,对其HPM热损伤效应和HPM功能扰乱效应进行了一系列研究,主要成果如下:1.建立了HPM作用下0.35μm工艺N阱CMOS反相器软件仿真模型并通过静态特性仿真验证了模型的正确性。基于固体热传导理论,推导了考虑微波频率和微波脉宽在内的HPM环境下CMOS反相器温度模型,进而得到了CMOS反相器的HPM热损伤阈值变化趋势。采用数值仿真对所建立的温度模型和热损伤阈值变化规律成功进行了验证并给出了微观解释。结果表明,在微波负半周期源衬结区低曲率半径处形成的正向电流引起的焦耳热是导致反相器温度升高的主要原因,且器件峰值温度与微波频率负相关、与微波脉宽正相关,此外,由于PN结电流与温度的正相关性,器件内部产热速率同样与微波频率负相关,与微波脉宽正相关。从而可以得出器件热损伤阈值随频率增大而增大,随脉宽增大而减小。所得规律与文献报道实验数据吻合较好。2.在所建立仿真模型的基础上,研究了在高功率微波环境下CMOS反相器的另一种失效模式,即功能扰乱效应的产生机理和相关影响条件。结果表明在微波作用下注入并累计在衬底的过剩载流子诱导的寄生闩锁通路是HPM扰乱效应的根本原因。通过理论推导闩锁触发功率与微波占空比的关系,认为平均功率一定时占空比短的脉冲更容易诱发扰乱效应,并指出重复脉冲下载流子的累积导致了重频效应。提出深阱工艺具有更高的抗HPM扰乱效应性能。微观解释了低电压下的闩锁延迟现象及相关影响条件,认为可以把降低电源电压作为抗HPM效应的一种措施。建立了CMOS反相器HPM扰乱效应的行为级模型,认为可以通过行为级仿真方法对电路或系统的HPM效应进行预估。本文所提出的CMOS反相器高功率微波热损伤、功能扰乱效应机理与失效阈值变化相关性规律为微电子器件、电路及系统的HPM效应预估以及抗HPM加固防护设计提供了理论依据,具有一定的参考价值。