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通过反射辐射可远程感知晶体管实时运行状态

澳大利亚阿德莱德大学的研究人员并没有像超人那样宣称自己拥有透视眼，但他们找到了一种方法，可以远程观察芯片，不会干扰其正常运行的内部晶体管的电活动。科学家们并未使用 X 射线，而是利用太赫兹波，检测封装半导体内部因电荷运动产生的微小变化。

尽管该技术仍处于研发初期，但如果经过优化并实现规模化应用，这种非侵入式探测系统有望彻底改变芯片测试方式，减少对电子探针、X 射线检测等传统手段的依赖。X 射线虽能清晰呈现芯片结构图像，却无法观测其电学行为。

“我们用现成的元器件搭建了这套系统，” 阿德莱德大学工程学教授、该研究团队负责人维塔瓦特・维塔亚查穆南库尔表示，该研究还联合了美国弗吉尼亚二极管公司、德国哈索・普拉特纳研究所及波茨坦大学的研究人员。“该系统需要视线路径，但可以穿透非金属材质的芯片封装。”

整套系统以矢量网络分析仪（VNA）为起点，这是一种可生成已知频率和相位微波信号的实验室仪器。信号通过一台 VNA 频率扩展器（由弗吉尼亚二极管公司提供）转换为太赫兹波，随后射向待测芯片。

在抵达目标前，太赫兹辐射会穿过一枚作为聚焦透镜的物镜，将光束聚焦到仅1 平方毫米的区域 —— 在本次实验中，该区域足以容纳 5 个双极结型晶体管。

当晶体管开启和关闭时，会轻微改变信号特性，反射波沿原路径返回至 VNA 扩展器的接收器。信号在接收器中下变频回到微波频段，并与原始信号进行比对。

通过测量振幅和相位的微小差异，系统可推断出芯片内部电荷运动的变化。研究人员特别发现，当被监测晶体管中的PN 结导电性增强、载流子增多时，反射的太赫兹信号会更强。

“我并不知道有任何检测技术能做到这一点。这太令人兴奋了。”

——布朗大学的丹尼尔·米特曼

零差正交接收机在这一过程中扮演核心角色，它通过将信号与同频参考信号比对来检测变化。该器件通常用于较低频段，而在本研究中被用来检测太赫兹信号中极其微小、极其快速的变化，这些变化用常规方法无法观测。

“考虑到在如此高的频率下同时测量波的强度和时序十分复杂，我们不得不对其进行改造，使其能在太赫兹领域工作。” 维塔亚查穆南库尔说。

由于太赫兹波长远大于被探测的结构特征，其相互作用仅会在反射信号中产生极其微弱的变化。而 VNA 中产生原始微波信号的振荡器所带来的噪声，很容易将这一微弱变化掩盖。“这就是我们选择使用零差正交接收机，将探测信号与原始信号进行比对的原因，” 维塔亚查穆南库尔解释道，“两路信号共有的噪声在比对过程中会被大幅抵消，只剩下由芯片电活动引起的变化清晰显现。”

“零差检测在此至关重要，” 美国罗德岛州布朗大学工程学教授丹尼尔・米特尔曼表示，“它让我们能够检测到被监测晶体管的兆赫兹级低频电调制，所引发的太赫兹信号变化。常规的太赫兹检测方案根本无法实现这一点。”

来自喇叭天线的太赫兹辐射（位于中间）会反射到一个二极管上（位于右侧）。布赖斯·钟、哈里森·利斯等人。

反射式太赫兹检测

研究人员表示，太赫兹波除了能穿透非金属半导体封装外，还是一种无害、非电离的电磁辐射，因此有望成为比 X 射线或侵入式探针更安全的检测替代方案。

“大多数半导体封装所用的塑料和陶瓷厚度适中，不会过度吸收太赫兹波，” 维塔亚查穆南库尔说，“因此无需拆除封装。这意味着我们可以原位测量半导体的工作状态。”

虽然太赫兹检测基本不受封装影响，但现代芯片的其他结构可能带来挑战。“总体而言，现代芯片包含多层结构，有时只是互连线，有时还含有有源电路，” 米特尔曼说，“目前尚不清楚这些层对太赫兹辐射是否都透明。”他指出，如果目标器件被埋在十几层结构下方，该检测技术可能会失效。“如果这些上层结构不透明，这项技术就无法用于诊断深埋的器件。这是该思路的局限性。”

由于现阶段系统灵敏度相对较低，研究人员目前主要将测试局限在分立器件上，实时监测整流二极管、双极结型晶体管、场效应晶体管（FET）等器件的开关与状态变化。最近，他们已开始测试包含多达 6 个场效应晶体管的集成电路。

下一个主要挑战是提升技术灵敏度，以便检测集成度更高的芯片。“我们已经有了几个改进思路，但目前还不便透露。” 维塔亚查穆南库尔说。

他表示，在技术最终成熟完善后，该方法将在高功率电子等安全关键应用中极具价值，因为这类设备很难在不造成运行中断的情况下离线检测。此外，在德国合作者的协助下，他还计划利用该技术读取芯片中的加密数据，这可能在安全领域产生重要影响。

“利用太赫兹成像研究半导体器件的想法已经存在很长时间了，” 米特尔曼说，“但这项工作开创了对封装内运行中器件进行诊断的可能。据我所知，目前没有任何检测技术能做到这一点。这非常令人振奋。”

关键词： 太赫兹辐射传感器 太赫兹 远程监控