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限幅器PSpice模拟与实验研究

 从PIN二极管基区双极载流子扩散方程出发，通过拉普拉斯变换求解得到PIN二极管子电路模型，从而通过PSpice软件瞬态数值模拟得到了PIN限幅器的尖峰泄漏、平顶泄漏与脉冲功率、上升时间关系。对于I层厚度一定的限幅器，模拟与实验表明脉冲前沿越大，尖峰泄漏功率插入损耗越大，脉冲前沿过缓则可能没有尖峰泄漏现象；尖峰泄漏功率随着输入功率的增加而变大，但尖峰泄漏功率插损也随之增大；尖峰脉冲宽度与I层厚度、输入功率及脉冲前沿均有关系。限幅器尖峰泄漏与平顶泄漏模拟结果与实验数据基本一致。     

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。     

PIN限幅器微波脉冲热损伤温度特性

分析了微波对PIN限幅器的热损伤机理,基于器件物理模拟分析法,利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了器件微波热效应模型,研究了频率为5.3,7.5,9.4 GHz的微波信号作用下,器件损伤过程中温度瞬态变化规律和瞬态温度分布规律。结果表明:PIN限幅器尖峰泄露阶段器件温度上升较快;稳态限幅后温度上升缓慢;临近热击穿状态,器件进入热电失控状态,峰值温度快速上升,最终器件因温度过高烧毁;PIN二极管中的I区或P区与I区之间的结边缘处,较容易烧毁。对PIN限幅器进行大功率微波注入实验,器件损伤实验结果与数值模拟结果吻合较好。     

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。     

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。     

PIN限幅器电磁脉冲效应数值模拟与验证

基于电磁脉冲对半导体器件效应的电-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-热多物理模场型,模拟限幅器在大功率电磁脉冲注入下输入/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入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。     

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。     

PIN二极管的高功率微波响应

 利用自行编制的半导体器件模拟程序mPND1D(采用时域有限差分方法，求解器件内部载流子所满足的非线性、耦合、刚性方程组)，对PIN二极管微波限幅器在高功率微波激励下的响应进行了计算，比较了不同条件下的计算结果，并对二极管微波响应截止频率作了探讨。计算结果表明:随着激励源幅值的升高，器件截止频率增大；随着脉冲长度减小，器件截止频率降低；随着器件恒定温度值升高，截止频率下降。     

不同频率高功率微波辐照下PCB电路的混合模拟

采用一个混合模拟方法研究计算了不同频率高功率微波(HPM)辐照下含有PIN限幅器的PCB电路上的耦合信号。该混合模拟方法基于瞬态电磁拓扑和器件/电路混合模拟技术,实现了场、路、器件的混合模拟,能够模拟计算出HPM辐照下屏蔽腔内PCB电路上的耦合信号。用该方法研究计算了频率分别为1,1.25和2.5 GHz的HPM在PCB电路上的耦合信号。计算结果表明:当PCB电路无屏蔽腔时,1 GHz HPM的耦合信号最大,而PCB电路有屏蔽腔时,2.5 GHz HPM的耦合信号最大;PIN限幅器在耦合信号较大时具有较好的抑制作用。     

微波脉冲频率与重频对限幅器热损伤效应的影响

基于PIN限幅器的电路与器件物理混合模式(Mixed-Mode)模型,考虑大功率微波作用下器件的高温强电场多物理过程,模拟分析了频率及重频等微波脉冲参数对限幅器热损伤过程的影响,数值模拟结果表明,不同频率的微波脉冲损伤PIN限幅器存在"拐点"频率,"拐点"频率的微波脉冲附近需要更多的能量(脉宽)损伤器件;重频脉冲前一个脉冲作用后,器件峰值温度近似负指数关系快速下降,器件处于高温时更容易损伤,热积累效应使重频脉冲较单个脉冲更容易毁伤器件。     

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。