高功率微波的输出功率达到GW甚至十GW水平,已经成为电子系统的重要威胁。低噪声放大器作为射频前端的核心器件以及最脆弱的器件,极易被邻近微波发射源的微波脉冲干扰甚至损伤。为了获得微波脉冲参数对电子系统作用效果的影响规律,以及寻找增强半导体器件微波防护能力的方法,论文利用理论分析、仿真分析、注入实验以及失效分析方法开展了微波脉冲对双极型晶体管(BJT)型和赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)型低噪声放大器的效应研究。研究了微波脉冲作用下器件的非线性特性和损伤特性,同时分析了脉冲参数以及器件工作状态对器件损伤功率的影响规律。论文的主要内容及结论如下:1、利用理论分析和仿真分析研究了微波脉冲作用低噪声放大器的效应机理。通过建立频率对半导体器件热效应影响的理论模型,分析得到低频时器件更容易损伤。通过建立微波脉冲作用BJT和PHEMT的仿真模型,研究了微波脉冲作用下半导体器件的非线性效应机理和损伤效应机理。微波脉冲从基极注入时BJT集电极输出电流随基极注入电压的增加呈现出线性增加、饱和、减小、最后反向且再增加的特性;BJT发射结附近的基区以及基极电极和发射极电极为器件的易损部位。微波脉冲从栅极注入时PHEMT漏极输出电流随栅极注入电压的增加呈现出线性增加、饱和、最后反向且再增加的特性;PHEMT栅极下方靠源极侧以及栅极电极和源极电极为器件的易损部位。同时获得了微波脉冲频率、脉宽以及器件偏压对半导体器件损伤效应的影响规律。2、开展了微波脉冲对BJT型和PHEMT型低噪声放大器的注入实验,研究了微波脉冲作用低噪声放大器的非线性效应特性和损伤效应规律。实验测量得到的低噪声放大器输出波形随注入功率增加的变化特性与仿真结果相符。获得了不同脉冲参数(包括脉宽、频率和脉冲个数)以及器件不同工作状态对低噪声放大器损伤功率的影响规律,同时分析了低噪声放大器损伤时的典型波形。低噪声放大器的损伤功率随脉宽增加的变化分为两段:第一段,脉宽20 ns~100 ns,损伤功率与脉宽关系为P∝t-1;第二段,脉宽100 ns~2000 ns,P∝t-1/2。频率为1.5 GHz~10 GHz范围内,器件损伤功率随频率增加呈现出先增加后减小的趋势,器件最大损伤功率的频率点在6 GHz附近,与微波脉冲作用BJT的三维仿真结果相符。BJT型低噪声放大器的损伤功率随脉冲个数增加基本不变;在脉冲个数小于100个时,脉冲个数越多损伤PHEMT型低噪声放大器所需的功率越小。低噪声放大器不同偏压条件下的损伤功率一样,器件损伤的能量来自微波脉冲。大信号作用下,低噪声放大器输出信号的倍频分量显著增大,器件损伤时晶体管输入阻抗发生突变,导致阻抗失配,使得反射信号突然增大,而输出信号突然减小。3、对比分析了半导体器件损伤前后的电特性。BJT损伤后各电极间电阻值正偏和反偏时一样,且明显减小,基极-发射极电阻减小的幅度最大;晶体管PN结的击穿电压都趋于零,且不再具有PN结特性。BJT损伤后发射结和集电结击穿,形成了具有较小电阻值的短路路径,导致晶体管出现永久性的功能丧失。PHEMT损伤后栅极-源极和栅极-漏极的电阻值正偏和反偏时一样,且明显减小;同时,晶体管饱和漏电流和栅极泄露电流显著增大,输出特性曲线表现为电阻特性,栅极失去了对漏极电流的控制能力。PHEMT损伤后肖特基结击穿,形成了具有较小电阻值的短路路径。4、分析了不同损伤条件下半导体器件的微观损伤形貌。微波脉冲从基极注入BJT时,基极电极的输入端和其下方基区的Si材料为器件的易损部位,与仿真得到的晶体管易损部位相符。不同注入条件下,BJT的损伤程度存在明显差异。多个脉冲注入时BJT基极电极被烧断,而单个脉冲注入时基极电极只是被烧熔,多个脉冲注入时的损伤程度更严重。单个脉冲注入时,脉宽越长,BJT的损伤现象越容易被观测到,且损伤区域的面积越大。微波脉冲从PHEMT的栅极注入时,PHEMT的栅极条以及栅极条的周围区域为晶体管的易损部位,与仿真得到的晶体管易损部位相符。不同注入条件下,PHEMT的损伤图像没有明显差异。5、统计分析了两种型号被微波脉冲损伤的GaAs PHEMT单片微波集成电路(MMIC)芯片的损伤模式。结果表明,不同型号的MMIC芯片损伤位置存在明显差异。MMIC芯片的有源结构和无源器件都有可能出现损伤。有源结构出现损伤的概率更大,无源器件中平面螺旋电感为易损部位。