pin器件hpm损伤效应的调研

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1、关于PIN器件的HPM损伤效应的调研1PIN器件简介主要对PIN限幅器进行了调研，限幅器为保护电路不受损伤且保障系统在低功率电平下对信号影响最小，应当具有以下特性：(1)当信号电平幅度低于限制门限的信号提供非常低的插入损耗；(2)当信号电平幅度超过限制门限的信号提供非常高的损耗；(3)拥有非常快的响应时间，在高功率信号到达后几纳秒内提供保护。1.1工作原理PIN二极管偏置于0V，当高功率射频信号通过时，在pin二极管中会形成这样一种现象：在射频信号的正半周内，微波大电流使载流子在p-和n+的边界注入，但当射频电压反向时，并非所有注入的

2、载流子全部退回，而有一部分进入I区，经过几个周期后，在I区形成稳态分布，从而使I区由高阻变为低阻，射频信号达到较高衰减，只允许一小部分称之为“平顶泄露”的射频功率通过(即限幅)；而在达到稳态之前，pin管对射频信号的衰减很小，这部分称为“尖峰泄漏”。pin管的这种射频电导率调制现象可用于微波限幅器的制作，并有利于制作耐功率较大的微波限幅器。1.2电路结构为提高限幅器的功率容量，可以通过级联提高，如图2所示，通过限幅器二极管的级联和并联可以极大提高限幅器的功率容量。图2(a)中的，单级电路图可以通过图2(b)的电路形式提高限幅器的功率隔

3、离度，通过图2(c)的形式，提高限幅器的功率容量。为了提高限幅器的功率容量，可增加级联和并联的限幅器二极管数量。通过耦合输入信号进行检波，检波信号对限幅二极管施加正电压，能有效提高限幅器的功率容量。图3所示，电路图是两级限幅器，通过级数的增加可以提高限幅器的隔离度。第一级限幅器由耦合检波器和限幅器共同构成，当脉冲或连续波信号通过时，耦合检波器产生一个正的检波电压加到第一级限幅器的限幅二极管的正端，降低限幅二极管R，(二极管正向电阻)加大对高功率微波信号的反射，降低施加到限幅二极管的受功率。1.3性能参数1)限幅电平：在输入功率超过某一

4、数值后，衰减显著增加，输出开始稳定。此输入功率值称为限幅电平或限幅门限值。一般接收机上用的限幅器，门限值都很低，防止过大的泄漏烧毁敏感器件。2)插入损耗：在输入功率小于门限电平时，衰减应当尽可能的小，因为这时的输入功率为接收机需要的小信号有用功率，衰减过大将会降低接收机灵敏度。3)隔离度：当输入功率为大功率时，限幅器能产生的极限衰减值。离度，如果隔离度高，则表示限幅范围大，即使输入功率很大时，也能维持恒定功率输出。4）频带特性：对于宽带器件例如扫频仪上的限幅器，要求在宽的范围内限幅电平变动很小，否则在扫频时输出将不恒定。1.4HPM效

5、应以pn结是否因温度升高而功能失效,将HPM效应分成两大类,即非失效效应和失效效应。干扰、翻转、扰乱没有造成半导体升温或造成的升温对pn结的性能影响甚微,称为非失效效应降级和损坏导致半导体高温熔化,属于永久失效效应;暂时失效虽然没有造成半导体永久损伤,但升温使本征载流子浓度升高,使本征载流子浓度与杂质浓度相当,造成了pn结功能暂时失效,但微波脉冲过后pn结又可恢复功能。热二次击穿和电流二次击穿是半导体pn结的两种主要损伤模式。1）频率随着注入频率的增加(指正常工作频带内)，限幅器性能逐渐降低，其尖峰泄漏和平顶泄漏随频率增大。因为PIN

6、二极管微波阻抗与1/f成正比，所以平顶泄漏功率与随着频率的增加而增大。当微波频率较大时，由于微波周期变小，PIN二极管中载流子需要更多时间来完成电导调制作用，瞬态阻抗变化较为缓慢，导致更多尖峰泄漏功率；同时由于PIN二极管阻抗的增大，限幅隔离性能下降，导致平顶泄漏功率增大。2）功率PIN二极管所能承受的最大微波功率主要由击穿电压和最大结温升限制两大因数决定。前者由I层厚度决定；后者则分为连续波和脉冲两种情况。脉冲工作时其耗散功率较连续波工作方式要大的多。在微波脉冲作用时尖峰泄漏瞬态期间限幅器吸收功率较平顶泄漏稳态脉冲时要大的多。3）脉

7、宽脉冲前沿对薄PIN管尖峰泄漏功率影响不大；但对于大功率厚PIN管，脉冲前沿大小可对其导通过程产生较大影响，如尖峰泄漏功率、尖峰脉宽。而平项泄漏则只与PIN限幅器稳态导通阻抗有关。4）非线性特性在注入功率高于限幅器阈值点后，限幅器输出产生较强非线性效应，输出有较多谐波分量。2国外研究状况HarryDiamond实验室Tan等人理论分析了薄I层PIN管的微波正半周与负半周特性，如载流子、电场分布等，实验研究了快上升沿微波脉冲与限幅器的尖峰泄漏能量、恢复时问与损伤关系，但其理论分析采用内部计算软件——DIODE。Walston则从通用电路

8、分析软件Spice出发，建立了PIN二极管的宏模型，模拟得到了PIN管在各种偏置电流下的阻抗特性。Strollo为研究电力功率开关电路特性，建立了一种新的功率PIN二极管的PSpice模型，主要方法为求解PIN二极管基区