PIN器件HPM损伤效应的调研.doc

关于PIN器件的HPM损伤效应的调研1 PIN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0 V，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。1.4 HPM效应以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Harry Diamond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二极管基区双极载流子扩散方程，利用拉普拉斯变换和 逼近理论，得到I层电荷存储关系的拉普拉斯变换表达式，进一步得到PIN二极管的PSpice子电路模型，其前向恢复与反向恢复特性仿真结果与实验数据吻合很好。Robert在Walston的研究基础上，模拟计算了低频段PIN微波开关和限幅器的特性，如插入损耗、尖峰泄漏，但其计算频率低于1 GHz。3 国内研究现状3.1 器件物理模拟法器件物理模拟法有助于深刻分析器件的内部工作原理，对于瞬态电磁脉冲与pn结相互作用的研究有着不可替代的作用，国内外已经有不少利用器件物理模拟法对阶跃电磁脉冲作用下pn结击穿烧毁过程进行瞬态分析的研究。半导体pn 结是构成电子系统的核心和基本单元, 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。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。对于更快上升沿的电磁脉冲来说，由于过冲电流的存在，能够产生相当高的瞬时电流，虽然由于时间太短不足以积累相当的能量使器件烧毁，但对电路中的信号会产生相当强的干扰，甚至使器件误触发。另外，在电路中具有控制电流的晶体管时，这个瞬时强电流有可能在晶体管内部产生一个高的电流应力，从而导致二次击穿失效。半导体器件HPM 损伤脉宽效应机理分析对HPM 和EM P 损伤效应的异同点进行分析, 探索HPM 损伤脉宽效应机理和经验公式。得到了全脉宽段、长脉宽段和短脉宽段的损伤经验公式, 该损伤经验公式能较好地对实验和理论模拟效应数据进行拟合。双极型晶体管损坏与强电磁脉冲注入位置的关系利用时域有限差分法对双极型晶体管在强电磁脉冲作用下的瞬态响应进行了2维数值模拟。研究了电磁脉冲从不同极板注入时的响应情况，根据温度分布的集中程度分析了发生烧毁的难易程度。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过冲电流的产生和特征，本文采用一维器件物理模拟法进行了上升时间0.1 ns以下的阶跃电压对PIN管作用的研究，得出了快上升沿阶跃电压作用下管中电流密度的变化规律。双极型晶体管在强电磁脉冲作用下的瞬态响应利用自主开发的2维半导体器件数值仿真程序对具有多个PN结的整体晶体管损伤效应进行了计算，并根据计算结果对BJT在强电磁脉冲作用下的响应特性进行了分析。脉冲宽度对PIN限幅器微波脉冲热效应的影响通过数值求解半导体方程组仿真了高功率微波脉冲作用下的PIN二极管，研究了高功率微波脉冲的脉冲宽度对其烧毁的影响。发现脉冲宽度在ns至us量级时，脉冲功率随脉冲宽度上升而下降，并且近似成反比。在此基础上，基于PIN二极管的Leenov模型和电路的戴维南定理对其机理进行了分析。但是只对以下的脉冲进行研究，更长脉宽的情况还有待研究。3.2 Pspice电路模拟仿真利用Pspice进行等效电路模拟，然后进行仿真，这种方式得到的仿真结果与实验结果差别在于等效电路与实际电路的误差。PIN限幅器内部结构复杂，考虑到各个参数，其等效电路亦复杂，因而采取合适的等效电路，能得到相对满意的结果。PIN限幅器的瞬态响应研究利用PIN二极管的PSpice子电路模型,经过瞬态数值模拟得到了PIN限幅器尖峰泄漏与平顶泄漏的瞬态阻抗变化特性与脉冲功率、脉冲前沿关系;通过等效电路法研究了PIN限幅器的瞬态吸收功率、负载功率及反射功率与阻抗关系.模拟表明尖峰泄漏瞬态期间双级PIN限幅器其后级薄层PIN二极管吸收功率大小可能影响限幅器性能.PIN限幅器PSpice模拟与实验研究一文中，较系统地开展了无直流偏置PIN限幅器的理论与实验研究，利用PSpice软件时域瞬态数值模拟得到了PIN限幅器的尖峰泄漏、平顶泄漏和恢复时间特性，考察了不同脉冲前沿、功率大小对限幅器的影响，并给出模拟结果与实验数据的比较。但是由于实际电路结构与模拟参数不一致，导致了仿真结果与实验结果的差异。还有就是检波器与示波器的窄脉冲响应误差。PIN限幅二极管结温对尖峰泄漏的影响一文通过在Pspice中建立PIN二极管的子电路模型，选取接近实际的PIN二极管的物理参数，然后建立PIN二极管的热分析模型，利用Pspice软件模拟得出PIN二极管的瞬时耗散功率，结合热模型应用FORTRAN语言编程计算出PIN二极管的结温变化情况。根据PIN二极管物理参数与温度的对应关系，在不同结温下，修改PIN二极管的物理参数和子电路模型参数，得出限幅器的瞬时输出特性曲线，并将该方法与已有文献结果进行对比。大功率PIN二极管限幅器对电磁脉冲后沿响应的分析考虑了大功率限幅器中PIN微波二极管和射频扼流电感的综合作用，从限幅器整体结构出发，利用PIN二极管PSpice电路模型，着重研究了阶跃脉冲后沿作用下限幅器的瞬态响应，发现除了尖峰泄漏以外，限幅器在阶跃脉冲后沿作用下也可能存在一些特殊的效应，构成一种新的安全隐患，对限幅器性能造成不利影响。发现在阶跃脉冲后沿，限幅器会输出反向脉冲，反向脉冲产生的原因与限幅器的两大必备元件：射频扼流电感和PIN微波二极管的综合作用有关。4 存在的问题国外的研究大多在电磁脉冲的影响，而较少涉及到高功率微波（HPM）对半导体器件的损伤。利用器件物理模拟法来分析HPM效应，能深刻分析器件的内部工作原理。由于半导体器件结构的差异、热损伤情况的复杂性以及实验数据和理论模拟结果不可避免地存在着误差和不足。利用Pspice建立PIN二极管或者PIN限幅器的等效电路模型的方法进行仿真，存在着仿真电路与实际电路的区别导致的误差。对低于1GHZ的脉冲而言，当其上升沿时间与脉宽相近时，会存在误差。5 展望造成限幅器及通信接收系统后级功