快上升沿电磁脉冲作用下PIN二极管中的电流过冲现象

 为了研究瞬态电磁脉冲对PIN二极管的干扰，利用基于扩散漂移模型的基本半导体方程，采用半导体器件一维瞬态数值仿真的方法,对快上升沿阶跃电磁脉冲作用下PIN二极管中的电流密度和电荷密度分布的变化进行了研究，分别观察了正反偏电压脉冲作用下过冲电流的产生过程并进行了分析。分析表明，过冲电流是和PIN二极管在高频下的容性表现相关的，无论是在正电压还是负电压情况下，脉冲上升沿时间越短、初始正偏压越高，则过冲电流密度的峰值越高。     

电磁能量选择表面的场路协同仿真与实验研究

为研究能量选择表面的防护性能,采用PIN二极管Spice模型,通过时域的场路协同仿真得到了能量选择表面(ESS)的瞬态响应波形。对影响插入损耗和防护效能的参数进行研究,优化结构参数,减小了尖峰泄漏。研究表明,双层ESS较单层ESS能够有效防护反向脉冲,同时增加单元金属条的长度能够减小脉冲尖峰泄露。通过强电磁脉冲辐照实验,验证了ESS小信号传输与强电磁脉冲防护的自适应防护能力,为强电磁脉冲的防护提供了可靠的方法。     

能量选择表面的瞬态响应

为实现强电磁脉冲防护和信号收发的兼容,研究了一种基于能量选择机制的强电磁防护结构,即能量选择表面。该防护表面利用半导体压控导电特性,实现了强场辐照时防护表面由高阻态向低阻态的转变,具有能量低通特性和超宽带特性。利用场路协同仿真方法,分析了能量选择表面瞬态响应与PIN二极管阻抗特性、强电磁脉冲峰值场强及脉冲前沿的关系,结果显示:尖峰泄漏功率和响应时间与Ⅰ层厚度、强电磁脉冲峰值场强成正比,与少数载流子寿命成反比变化。     

温度对PIN二极管限幅器功率响应特性的影响

 通过求解PIN二极管基区双极载流子扩散方程得到了限幅器Pspice等效电路模型, 根据PIN二极管物理参数与温度的关系, 数值计算得到了PIN二极管限幅器在多个温度点的功率响应特性, 发现温度的升高会使限幅器内部损耗增加, 加剧限幅器内部热损伤。并利用恒温控制系统进行了实验验证, 实验结果与数值计算结果相符合。实验还发现高温热冲击可能使限幅器限幅能力大幅下降, 可能成为通信系统的重大安全隐患。     

电磁脉冲作用下PIN二极管的响应

采用自主开发的二维半导体器件效应模拟软件,对电磁脉冲作用下PIN二极管的响应进行了数值模拟研究,分析了PIN管在脉冲电压上升沿时间内出现的电流过冲现象。结果表明:过冲电流与高频下PIN二极管的电容性有关,过冲电流的峰值与上升沿时间有关,上升沿时间越短,峰值越大;PIN管的掺杂也会对过冲电流产生影响,P层、N层的掺杂浓度越高,过冲电流的峰值越大,过冲电流的波形下降越快;I层掺杂浓度对过冲电流也有一定影响,但并不显著。     

双级PIN限幅器的微波脉冲响应机理及规律

基于双级限幅器中两个PIN二极管的多物理场仿真模型与限幅器中其他电路元器件的SPICE模型,搭建了Si基双级PIN限幅器的场路协同仿真模型,利用这一模型对微波脉冲作用下限幅器中两级PIN二极管的温度响应特性进行了仿真.在此基础上对限幅器在不同频率、幅值微波脉冲信号作用下内部发生熔化现象所需的时间与能量进行了仿真,并对这一过程进行了机理分析与响应特性规律总结.仿真结果表明,当限幅器中第一级PIN二极管内部最高温度已达到材料熔点时,第二级PIN二极管的温度变化幅度较小.限幅器内部发生熔化现象所消耗的时间与能量随信号幅值、频率的变化呈现出规律性关系,发生熔化现象所需的时间随信号幅值或频率的提升而减小;发生熔化现象所需的能量随频率的提升而降低,随幅值的变化存在极大值点;限幅器的响应特性对信号参数表现出了不同的敏感性.     

PIN限幅器的高功率微波单脉冲效应研究

基于PIN限幅器的等效电路模型,构建了PIN限幅器HPM效应ADS等效电路仿真模型,利用HPM注入实验和等效电路仿真相结合的方法,研究了单个微波脉冲作用下PIN限幅器的响应规律,获取了HPM作用结束后限幅器限幅持续时间与注入脉冲功率、脉宽的对应关系,并对限幅器的限幅持续过程进行了分析。仿真与实验结果表明:PIN限幅器限幅持续时间随着微波脉冲功率和脉宽的增大而变大,实验和仿真结果趋势一致,该研究使用的ADS等效电路模型可以应用于PIN限幅器的高功率微波瞬态响应特性分析研究。     

PIN限幅二极管结温对尖峰泄漏的影响

 建立了PIN二极管的Pspice子电路模型和热模型,模拟了PIN限幅器的瞬态特性。应用FORTRAN语言调用Pspice的仿真数据,计算了PIN二极管结温随输入脉冲变化的情况,讨论了PIN二极管的物理参数与温度的关系,结合结温的升高修改了Pspice软件中PIN二极管的子电路模型参数,模拟得到了不同结温下的瞬态响应曲线以及尖峰泄漏功率与脉冲频率、上升沿、结温的关系。模拟结果表明:输入脉冲的幅度越大,结温增长越快;在不同脉冲频率和上升沿情况下,升高的结温会导致限幅器尖峰泄漏功率增大。     

大功率PIN二极管限幅器对电磁脉冲后沿响应的分析

 利用PSpice电路模型数值计算了阶跃电磁脉冲后沿作用下大功率PIN二极管限幅器的瞬态响应。发现大功率限幅器在阶跃脉冲后沿作用下会输出反向脉冲,其幅度可能与限幅器尖峰泄漏的幅值相当甚至更大,这可能是一种新的影响限幅器性能的安全隐患。分析发现:反向脉冲幅度在一定范围内随激励脉冲持续时间的增加、幅度的加大、后沿时间的变短而变大;随射频扼流电感值的增加而减小。     

一种S波段超宽带能量选择表面设计

设计了一种工作在S波段的能量选择表面,可实现超宽带自适应强电磁防护。该结构由两层金属周期结构组成,顶层为两个对称分布的金属条和一个金属片,金属条与金属片间加载两个PIN二极管;底层为十字架结构。当入射电磁波场强低于阈值时,能量选择表面工作在透波状态,电磁波可以传播;当入射电磁波场强超过阈值时,金属条和金属片之间产生的感应电压使得PIN二极管导通,此时能量选择表面进入防护状态,电磁波被屏蔽。通过对能量选择表面在PIN二极管导通和截止状态下的表面电流和电场分布以及等效电路模型进行分析,解释了该结构的工作原理。采用PCB制作工艺加工了实物样板并对弱场入射下的插入损耗以及强场入射下的防护效能进行测试。实验和仿真结果匹配性良好,表明该能量选择表面在透波状态下的工作中心频率为2.7 GHz,插入损耗小于1 dB的工作频带为2.2～3.5 GHz;在防护状态下,工作频带的防护效能大于10 dB,达到了超宽带的要求。     

多级PIN限幅器高功率微波效应研究

基于PIN二极管电热自洽耦合模型,构建了两级PIN限幅器高功率微波(HPM)效应电路模型。根据模拟模型设计加工了两级限幅器实验样品,限幅器输入、输出特性注入实验数据与模拟计算结果基本一致,验证了多级限幅器模型的有效性,表明该多级PIN限幅器模型能够应用于HPM效应模拟。针对不同HPM波形参数进行了HPM效应模拟,计算结果表明:随着注入功率的增大,脉宽增宽,前级厚I层PIN二极管结温升比后级薄I层PIN二极管结温升要高,因此厚I层PIN二极管更易受到损伤;而频率和前沿参数对结温升影响较小。     

宽带高抑制性能电磁脉冲防护电路设计与实验

强电磁脉冲易通过天线、孔缝、线缆等多种耦合途径进入电子系统内部,造成敏感电子设备出现短暂故障或永久损毁。安装电磁脉冲防护电路可有效提高电子设备抗强电磁脉冲能力。基于LC选频网络和瞬态电压抑制(TVS)二极管,设计了一种宽带高抑制性能电磁脉冲防护电路,防护电路工作带宽超过2 GHz、插入损耗低于0.6 dB。系统性研究了防护电路对频谱分布在工作带宽内多种电磁脉冲(方波脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波)的防护能力。结果表明:防护电路对不同类型电磁脉冲电压抑制比大于40 dB、耐受功率超过387 kW、而响应时间仅0.7 ns。该防护电路具有工作频带宽、电磁抑制性能好、响应速度快、耐受功率高等特点,对电子信息系统电磁防护加固具有重要意义。     

GaAs PIN二极管电热特性

通过T-CAD软件建立了PIN二极管的电学模型和热学模型,模拟了PIN二极管的稳态与瞬态特性。研究了PIN二极管器件在正反偏压和脉冲电压下的电学特性及热学特性,讨论了PIN二极管的I层厚度与温度的关系,模拟得到了不同I层厚度的稳态与瞬态响应曲线、得到了与器件内部温度的关系。模拟结果表明:随着I层厚度的增加,器件内部最高温度增长减慢,器件内部最高温度区由结区位置向器件的中间位置移动。     

Ⅰ层厚度对限幅器热损伤效应的影响

基于器件物理模拟分析法研究PIN限幅器二极管的微波脉冲热效应,利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN二极管二维多物理场仿真模型,研究了在5.3,7.5,9.4 GHz的微波脉冲作用下,不同Ⅰ层厚度的二极管模型的峰值温度变化。仿真结果表明:Ⅰ层厚度对PIN二极管微波脉冲热效应的影响分两个阶段,拐点前厚度增加,峰值温度提高,拐点后厚度增加峰值温度降低;一定范围内微波脉冲频率的变化对拐点影响不明显。