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1、第14卷 第2期强激光与粒子束Vol.14,No.22002年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar.,2002文章编号:100124322(2002)0220299204XPIN二极管的高功率微波响应1,33321余 稳 聂建军, 郭杰荣, 周传明, 张义门(1.西安电子科技大学微电子研究所,陕西西安710071;2.中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900;3.常德师范学院电子学研究所,湖南常德415000) 摘 要: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
2、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。 关键词:二极管限幅器;高功率微波;截止频率 中图分类号:O475;O241.82文献标识码:A 二极管在高功率微波源激励下的响应特性研究,对开展电磁波对半导体器件的破坏机理研究具有重要意义。PIN限幅器是具有典型意义的器件(如雷达接收端,其最外围部分便是PIN二极管
3、限幅器),[1]因此,我们利用自行研制开发的计算程序mPND1D对此进行了数值计算,并根据计算结果对器件的响应情况进行了分析探讨,该结果对分析器件在不同激励情况下的响应截止频率具有一定的意义,同时也能为分析短脉冲源(如超宽带)对电子系统的作用机理提供参考。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。1 数值计算1.1 器件模型及结构参数-6219-3 采用典型的PIN二极管限幅器(扩散结)模型,器件长度4Lm,截面积10cm,杂质浓度10cm,15-3-6I区掺杂浓度5×
4、10cm,少子寿命10s,其结构与文献[2]中所述相似。计算所用外电路包括二极管旁路电容C(取值2pF)和串联电阻R(取值508)。1.2 基本算法 半导体器件在外界源激励下的行为,可通过求解由器件内部载流子所满足的由连续性方程、泊松方程、热流方程等8个方程组成的非线性、耦合、刚性方程组获得。采用时域有限差分(FDTD)方法及“混[3]合”算法求解。器件两端采用欧姆接触,且与温度为300K的热阱相连;器件内部初始温度为300K,载流子浓度及电位分布为零偏压时的平衡载流子浓度及电位分布。2 计算结果及分析 在考虑温度效应(即器件内部温度发生变化)的情况下
5、,对PIN二极管限幅器用振幅为100V,频率在1～300GHz范围内的微波源进行激励,计算结果如图1、图2所示。图1表示在频率分别为1,4GHz的微波源激励下的电流响应曲线(激励源幅值为负值,表示激励从负半周开始,这样低频时可在第一周期明显看出器件雪崩击穿过程),从图1可看出,随着激励源频率的增加,器件电流达到稳定值所需时间越来越长。但计算发现,当频率增加到某一数值时(此处约20GHz),器件电流幅度值明显下降,且不再有如图1所示的幅值逐渐增大的过程。图2表示器件电流振幅稳定值及达到稳定所需时间随频率的变X收稿日期:2001205218;修订日期:2001
6、211202基金项目:国家863强辐谢重点实验基金项目(99202);湖南省自然科学基金项目(00JJJY2009)作者简介:余 稳(19662),男,湖南益阳人,博士研究生,副教授。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.300 强激光与粒子束 第14卷化关系,另外,从约20GHz开始,器件在一个周期内即达到平衡状态。由于计算一个数据点需要较长的CPU时间(平均计算1ns源电压需10hCPU(PII200)时间),因
7、此20GHz只是一个概数,但这并不影响我们对问题的分析,正常情况下,该频率点所对应的半周期应与载流子以最大漂移速度渡越器件内部PN结和高低结间的距离所用时间相等,此即为器件的截止频率点。 如果从正半周开始激励器件,最终结果与负半周开始激励的一样,只是达到平衡所需时间略短,因为此时不存在载流子反向抽取过程。Fig.1CurrentresponsevsfrequencyFig.2Currentdensityamplitudeandtimeneededvsfrequency图1 不同频率时的器件电流响应图2 器件电流振幅稳定值及达到该值所需时间与频率的关系
8、不考虑热效应(即认为器件温度恒定)时,随着器件温度恒定值升高,二极
