PIN限幅器电磁脉冲效应数值模拟与验证.pdf

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1、第26卷第6期强激光与粒子束Vo1．26，NO．62014年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJun．，2014PIN限幅器电磁脉冲效应数值模拟与验证赵振国。，周海京。，马弘舸，赵强。，钟龙权(1．北京应用物理与计算数学研究所，北京100088；2．中国亡程物理研究院应用电子研究所，高功率微波技术重点实验室，四川绵阳621900；3．中国工程物理研究院复杂电磁环境实验室，四川绵阳621900)摘要：基于电磁脉冲对半导体器件效应的电一热多物理场模型，利用Sentaurus—TCAD仿真器建立了PIN限幅器电磁脉冲效应数值模型，研究了不同峰值功率的电磁脉冲

2、作用下限幅器的输入／输出特性，以及大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系。模拟与实验结果表明：基于器件热效应影响载流子输运过程的电一热多物理模场型，模拟限幅器在大功率电磁脉冲注人下输入／输出功率的结果与实验结果吻合较好；模拟大功率电磁脉冲注人PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系式，与Wunsch—Bell半经验关系式符合较好。关键词：PIN限幅器；电磁脉冲；多物理场模型；器件仿真中图分类号：TN385；T974文献标志码：Adoi：10．11884／HPLPB201426．063018随着电磁环境的日益复杂，雷达、数传电台等无线电探测和通信设备极易受到高功率电磁脉冲

3、信号的威胁，已受到国内外学者的广泛关注_】。]。这些设备的发射末端和接收前端的核心部件——T／R组件——直接暴露在复杂电磁环境中，是最易受强电磁脉冲毁伤的组件之一。其中，PIN限幅器是保护T／R组件中低噪声放大器和后端其他灵敏器件不被自身发射的脉冲泄露功率和外界大功率电磁脉冲造成毁伤的重要器件之一。但研究发现，一定功率的电磁脉冲也能使PIN二极管热击穿烧毁，造成限幅器降级或失效[4-6]，从而影响雷达系统的整体性能，甚至彻底毁伤雷达系统。目前，国内外主要通过等效电路模拟法和器件物理模拟法仿真研究半导体器件的电磁脉冲效应特性。等效电路模拟法计算速度快，可移植性强，在仿真器件瞬态电特性

4、响应研究中提供了有价值的方法和结果[7]，但该方法把PIN二极管的物理参数设置成常温下的常量，实际上其中部分关键物理参数是随着器件白热效应的温度升高而改变。器件物理模拟方法通过联合求解半导体物理方程组和热传导方程，并考虑温度对载流子输运的影响]，故能够描述器件内部的微观物理特性，深入分析器件的微波热损伤机理。本文利用器件多物理场模拟法，结合大功率微波作用下器件的自热、高电场特性，使用载流子受温度影响的热动力学传输模型，描述器件内部的微观物理特性。利用Sentaurus—TCAD仿真器建立了PIN限幅器微波脉冲效应数值模型，研究了不同峰值功率的微波信号作用下限幅器输出限幅特性及大功率

5、注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系。1理论分析外界电磁脉冲通过系统前门耦合或直接注入系统端口感应出电压或电流信号，相关理论和实验研究表明，微波脉冲耦合进人带状电缆引起的电压信号近似于一个低阻尼正弦电压信号，且微波带宽越窄，感应出的电信号与微波信号频率越接近。本文采用正弦电压信号形式代替耦合进人微带线中的电磁信号，该电磁脉冲信号表达式为U—Uo(sin2rrf+)(1)式中：己，。为电磁脉冲幅值；厂为脉冲频率；为初始相位，这里取初始相位为零，即不考虑初始相位影响。大功率电磁脉冲注入半导体器件效应过程中涉及的强电场、高温特性决定了只有充分考虑器件中的电热效应，才能更为准确地模拟其

6、特性。热动力学输运模型是在漂移扩散一扩散输运模型的基础上，充分考虑晶格温度的影响，联立求解热传输方程、泊松方程及载流子连续性方程，因此能较为准确地模拟注入功率较大时器件可能发生自热效应的特性。当晶格温度上升时，载流子迁移率、产生一复合率等模型受到影响，因此加人该模*收稿日期：20131115；修订日期：2014—02—27基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2013CB328904)；国家自然科学基金项目(11371067)；高功率微波技术重点实验室基金项目(2Ol3HPM—l1)作者简介：赵振国(1987一)，男，主要从事微波效应数值仿真研究工作；346788393@qq．c

7、orn。O63O18—1强激光与粒子束型有助于提高模拟精度。热动力模型中因温差产生的电流增益，其电流密度方程为口]t，一一n(V+PVT)(2)J一一(Wp+PVT)(3)式中：，为电子和空穴浓度；．，，l，为电子和空穴的电流密度；f，为电子和和空穴的迁移率；，为电子和空穴的准费米势；P，P。电子和空穴的绝对热电能；T为晶格温度。考虑自热导致器件内部温度扩散对热力学模型的影响，需要计算热传导方程0个C一V·((_f)VT)一一V·[(PT+)J+(PT+)J]一00(