强电磁脉冲能够通过多种耦合途径进入电子系统内部，使其功能发生扰乱、退化甚至造成损伤，给系统的可靠性带来严重的威胁。半导体器件作为电子系统的核心单元，研究其在强电磁脉冲作用下的损伤效应和机理具有重要的意义。目前对于半导体器件强电磁脉冲效应的研究方法主要有实验研究和数值仿真研究。实验方法能够最真实地反映器件的损伤效应，但受到器件种类的多样性、不同厂家制造工艺技术的差异性、系统和电磁环境的复杂性等诸多因素的限制，使其所得的研究成果不具有通用性，且研究成本较高。因此，利用数值仿真方法从理论上研究半导体器件的损伤效应和机理具有重要的现实意义和实用价值。　　本文以典型δ-掺杂结构的GaAs PHEMT器件作为研究对象，建立了其在强电磁脉冲作用下的损伤模型，采用数值仿真的方法分析了GaAs PHEMT器件在电磁脉冲（electromagnetic pulse, EMP）、重复脉冲和高功率微波（high power microwave, HPM）三种典型强电磁脉冲信号下的损伤效应和机理。论文的主要研究内容和研究成果如下：　　1、利用半导体器件仿真软件Sentaurus TCAD，从器件结构、数值模型和信号模型三个方面建立了GaAs PHEMT器件在强电磁脉冲作用的损伤模型。该模型基于典型δ-掺杂结构的GaAs PHEMT器件，充分考虑了器件在强电磁脉冲作用下的电热效应、载流子迁移率退化效应、高电场载流子迁移率饱和效应和载流子雪崩产生效应。同时，对EMP和HPM两种典型强电磁脉冲的场源进行了场路转换分析，建立了EMP和HPM信号的电路形式，使强电磁脉冲损伤效应的分析更加方便。本文所建立的损伤模型能够更加真实地反映GaAs PHEMT器件在强电磁脉冲作用下的损伤效应。　　2、基于GaAs PHEMT器件损伤模型，通过对器件内部电场强度、电流密度和温度的分布变化进行分析，研究了GaAs PHEMT器件在EMP作用下的损伤效应和机理。研究结果表明，EMP注入下器件栅极与沟道层之间出现电流沟道及强场，导致器件的热点位于栅极下方区域。但器件的热点并非一直位于同一个位置，当器件发生热击穿后电场转移现象出现，导致器件的热点由栅极下方靠近源端移向中间区域。同时，从信号参数和外接电阻两个方面讨论了外部条件对器件损伤效应的影响。结果显示外部条件的变化能够显著影响器件的损伤进程：信号幅度的增加能够加大器件在相同时间内吸收的能量，从而更易达到热击穿所需的能量，加快器件的损伤进程；信号上升时间的变化能够加快或延缓器件的击穿点，从而影响器件的损伤进程；漏端外接电阻和源端外接电阻能够改变器件栅极与沟道层之间的电流沟道宽窄来影响器件的损伤进程，且源极外接电阻的影响更加强烈。在实际器件设计中，可折衷器件各项指标通过增加源极电阻来加强器件的抗电磁脉冲损伤能力。　　3、传统上损伤阈值的研究方法都是假设器件为二维或三维热模型，基于器件的热点唯一性来求解热传导方程获得器件的损伤功率阈值和损伤能量阈值。本文不同于传统方法，直接基于器件的结构特性，结合GaAs PHEMT器件的EMP损伤效应和机理，研究了器件在强电磁脉冲作用下的损伤功率和损伤能量阈值，并采用曲线拟合软件建立了GaAs PHEMT器件的损伤功率阈值公式。研究结果表明，GaAs PHEMT器件在EMP作用下热点并非固定的损伤特性导致器件的损伤功率和损伤能量阈值不同于经验阈值。在器件的损伤过程中，非损伤位置的热点消耗了一部分信号的能量，从而导致器件整体上达到损伤需要更多的能量，其损伤功率阈值公式的时间指数比经验公式的时间指数大。随着信号幅度的增加，器件损伤时间减小，导致在非损伤位置的热点消耗的能量也相应地减小，进而导致器件的损伤能量减小。当信号幅度增加到一定程度时，电场强度还未出现转移现象时器件就发生烧毁，器件在损伤过程中只有一个固定的热点，从而导致器件的损伤能量阈值与经验公式相似，趋于恒值。　　4、基于热等效电路方程，建立了器件的重复脉冲失效模型，推导出了器件温度与脉冲功率、脉冲作用时间之间的关系公式。建立了器件降温弛豫时间的简单计算公式，该公式能够较快较方便地计算出器件的安全脉冲间隔。结合GaAs PHEMT器件的损伤模型，分析了注入信号参数与器件损伤时间之间的关系，探讨了重复脉冲作用下器件存在潜在性损伤的必要条件。研究结果显示，注入信号的脉宽与器件损伤时间成反比，脉宽越长，器件在相同周期内热产生的热量越多，越容易发生损伤；当脉冲周期的变化由脉宽的变化引起时，其与器件损伤时间的变化趋势类似于脉宽与器件损伤时间的变化趋势；当脉冲周期的变化由脉冲间隔的变化引起时，其与器件损伤时间成正比，脉冲周期越大，脉冲间隔越长，进而增加了器件的热耗散，使其难以烧毁；脉冲占空比的变化能够同时影响器件的热产生和热耗散，其与器件损伤时间成反比。重复脉冲信号存在脉冲周期阈值和占空比阈值，当注入信号的脉冲周期大于安全阈值或占空比小于安全阈值时，器件不会存在潜在损伤。无论信号作用多长时间，器件都不会发生烧毁。　　5、基于GaAs PHEMT器件的损伤模型，研究了GaAs PHEMT器件在HPM作用下的损伤效应和机理。结果表明 HPM作用下器件的峰值温度呈现“上升-下降-上升”的变化规律，其在信号波峰之前为上升过程，当过了波峰之后开始下降。随着信号时间的持续，当器件积累一定能量后热击穿发生，导致器件温度急剧上升并最终达到器件的烧毁点。对EMP、重复脉冲和HPM三种信号样式的损伤效应进行了比较，结果表明三种信号样式的损伤类型都为能量型损伤，损伤机理都为热击穿，损伤位置都为栅极下方中间区域。不同之处为EMP信号作用下器件持续吸收能量而升温，重复脉冲和 HPM信号作用下器件呈现“热产生-热耗散”的周期性能量变化，其温度表现为“上升-下降-上升”的周期性变化。在相同幅度的条件下，EMP信号最容易导致器件发生损伤。因此，面对复杂的电磁环境，利用EMP的损伤阈值作为系统电路的防护基准是最安全可靠的。对包含 GaAs PHEMT器件的低噪声放大器（low noise amplifier, LNA）进行了HPM注入效应实验，结果表明HPM作用下第一级晶体管是 LNA电路的薄弱单元。通过电子显微镜扫描（ scanning electron microscope, SEM）发现器件的栅极下方区域出现不同程度的坑点，其与仿真结果相一致。实际中设计者应该对LNA电路第一级晶体管的栅极区域进行重点加强保护。