pin二极管限幅器的瞬态电热耦合分析

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1、l绪论硕士论文PIN二极管作为核心元件，易受强电磁脉冲损伤，虽然限幅器会对入射的电磁脉冲加以限幅，但是PIN二极管限幅器需要一定的响应时间，在到达稳定限幅状态之前有一段尖峰泄漏时间，尖峰泄漏阶段作用于PIN二极管两端的电压幅值是十分大的，可能会对PIN二极管构成损伤。此外，某些高功率电磁脉冲也可能导致PIN二极管的热损伤，影响限幅器的限幅效果，从而接收系统后端的模块也遭受到损坏。因此，研究PIN二极管的电热性能、研究PIN二极管限幅器的电热性能对我们了解高功率微波对半导体器件的破坏机理，提高通信系统的电磁防护性能具有重要的意义。1．2国内外研究现状在半导体器件模拟、P

2、IN二极管限幅器电路仿真方面，国内外已有许多学者展开了相关的研究工作，并且取得了一系列的研究成果。研究PIN限幅器电路的电热特性当然是要以对单个PIN管的工作机制的理解、掌握为前提的。对于单个PIN二极管来说，W．J．Orvis和J．H．Yee等人利用半导体模拟软件BURN42对一维PIN二极管数值模型进行了模拟，详细地介绍了数值模型的控制方程，给出了PIN二极管数值模型中各参数的经验公式，并且仿真了了PIN二极管在高功率微波下的热损伤效应【1o】【ll】【12】【13】，他们的工作具有较高的借鉴意义。Wunsch和Bell研究了电磁脉冲作用下半导体器件的失效阈值，给

3、出了半导体器件失效的评估公式04]1”】。尽管他们并没有采用半导体的数值模型进行计算，但是利用实验研究了半导体的失效情况，具有较高的可信度。国内常德师范学院的余稳等人，阐述了半导体器件烧毁的物理机理，利用FDTD方法对一维的PIN管进行了稳态和瞬态的模拟，并采用了热．电耦合方法仿真了高功率电磁脉冲对PIN管的电流模式破坏1161[17】【181fl91。清华大学的周怀安等人比较了了不同上升沿的电磁脉冲作用下PIN二极管的电流过冲效应【201。就PIN二极管限幅电路来说，国内外的学者多采用等效电路模型和物理模型来进行仿真。等效电路模型的仿真方法具有计算速度快、可移植性强

4、等优点，但是难以得到电路中半导体内部的参数分布。Strollo等人就利用了等效电路模型对PIN二极管限幅器进行了分析121J。电子科技大学的汪海洋等人也利用了等效电路模型，对于PIN二极管限幅电路的瞬态电特性做了大量的深入的研究，但并没有分析电路的热损伤效应【221。物理模型仿真通常联合求解半导体漂移一扩散方程组和热传导方程，在仿真电路的同时得到器件内部的物理特性，但是求解速度较慢，消耗内存也较大，如果同时考虑器件内部各参数的相互影响，描述起来也比较复杂。A．L．Ward等人在模拟了PIN二极管物理模型二次击穿效应的基础上，对PIN二极管微波限幅器进行了全面的理论和实

5、验研究【231124]1251。国内的北京应用物理与计算数学研究所的赵振国等人则对微波脉冲下的PIN管限幅器的电热特性进行了一系列的模拟【26J【27】【281。在算法层面，对半导体数值模型进行仿真时常用的方法有时域有限差分(FDTD)2硕士论文PIN二极管限幅器的瞬态电热耦合分析[291[301、有限元(FEM)方法口11132】。在对半导体漂移．扩散方程组求解的时候，可以采用非耦合求解方法或者耦合求解方法，两种方法各有优缺点【331。非耦合方法顺序求解泊松方程和电流连续性方程，节约内存，在利用牛顿迭代法时对初值的选取要求不高，在载流子产生复合不十分显著，非线性不严

6、重的时候比较适用。但是非耦合方法在器件非线性严重的情况下(工作在高电压、大电流)，收敛得十分缓慢，甚至会出现不收敛的情况。耦合求解方法适用于大电压、非线性严重情况下的半导体求解，非耦合求解方法是线性收敛，耦合求解方法是抛物线型收敛，求解收敛速度快。但是耦合方法消耗内存较大，并且对初值选取的要求较为苛刻，初值选取不当可能导致迭代无法收敛。人们为了兼顾耦合方法和非耦合方法的长处并克服它们各自的不足，发展了一种耦合方法和非耦合方法的混合求解法【j制。此外，大量的半导体仿真软件也涌现了出来，其中较为广泛地被人们运用的有SILVACOTCAD、COMSOL、ISETCAD等13

7、5J，但是大部分商用软件价格不菲并且需要使用者具备一定的工艺制造基础，也无法实现与电路的一体化仿真。1．3本文的主要贡献与结构安排本篇论文采用时域谱元法(SETD)对PIN二极管进行了电热耦合模拟，并且分析了PIN管限幅电路在不同信号作用下的工作状态，得到了一些结论。文中对PIN二极管的仿真采用数值模型，可以得到PIN二极管内部各个物理参数的分布，相较于解析模型，可以更为深入地研究PIN二极管内部载流子的输运过程。数值计算程序采用时域谱元法实现，计算结果与商用软件COMSOL进行了对比，具有较高的正确性。文中不仅计算了单个PIN二极管元件的瞬态电特性