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1、第14卷 第3期强激光与粒子束Vol.14,No.32002年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,2002文章编号:100124322(2002)0320449204X新型高功率微波探测器黄文华, 刘静月, 范菊平, 陈昌华, 胡咏梅, 宋志敏, 宁 辉(西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘 要:通过对半导体材料中载流子迁移率的特性分析,在原HPM探测器的基础上,提出了探测器中半导体传感器的新设计,使探测器的检测灵敏度提高一个量级;同时研制成功S波段HPM探测
2、器。在传感器的加工方面采用了新的工艺,并对电源进行了改进,使之功能完善、使用简单、具有实用性。其电源偏压在40V时,X波段的探测器在60kW时输出检测脉冲信号幅度高达9V,S波段的探测器在600kW时输出检测脉冲信号幅度高达10V,可适用于10～500ns脉宽的HPM功率测量。 关键词:高功率微波; 功率测量; 半导体; 探测器 中图分类号:TN933.3;TM935.4;O472.6文献标识码:A 由于高功率微波(HPM)源的脉冲功率高、脉宽短、重复频率低,周围的电磁干扰严重,所以在HPM技术研究
3、中,脉冲功率的测量是一个十分重要而又困难的技术问题。90年代初,前苏联专家首先研制了HPM探测[1]器,这种探测器可以直接测量几十kW甚至上MW的HPM脉冲功率,不仅大大简化了测量环节,而且检测输出信号幅度在V级,从而提高了抗干扰能力。在我国,西北核技术研究所于1996年首次研制成功基于p型[2]硅传感器的HPM探测器,该探测器可以直接测量百kW量级的HPM脉冲功率,输出信号最大幅度在4V左右。但是该探测器灵敏度低,输出信号幅度偏小,在测量使用中仍然不方便;而且探测器加工生产难度大,成品率很低,要作为产品
4、推广十分困难。为提高探测器的检测灵敏度和输出信号幅度,我们在原HPM探测器的原理基础上,研究设计了新的半导体传感器,对该半导体传感器用于其它频段的HPM功率测量进行了研究,研制了S波段的HPM探测器;为使探测器具有实用性,对传感器的加工工艺和探测器的电源进行改进设计,使之功能完善、使用简单、性能可靠。1 基本原理及半导体传感材料的设计HPM探测器的基本原理是利用半导体材料中载流子在强场作用下的热载流子效应,使半导体材料中载流子迁移率发生变化(减小),宏观上改变了半导体传感材料电阻。当在传感材料上加有恒定的
5、直流电源时,半导体材料上的电压会随其电阻变化,通过测量半导体传感器上的电压变化就可以测量出其电阻变化。根据电场强度与半导体电阻率的变化关系可推算出加在传感器上的HPM脉冲电场强度,从而可以测量出HPM脉冲功率。因此,该探测器的核心是半导体传感器,半导体传感器对微波功率的响应特性决定了探测器的检测性能。 半导体材料的电阻率为1Q=(8õcm)(1)q(nLn+pLp)式中:q为电子电荷;n和p分别为电子和空穴的密度;Ln和Lp分别为电子和空穴的迁移率。当改变电子和空穴的密度或迁移率时,半导体材料的电阻率将
6、随之变化。影响迁移率的因素有很多,如掺杂浓度、温度、载流子浓度、电场强度及半导体材料和结构等。而一般给定的半导体材料的掺杂浓度、载流子浓度、半导体材料和结构是确定的,材料温度相对稳定,所以,HPM传感器是利用载流子的迁移率Ln和Lp随外加电场的变化特性来实现微波功率的测量的。3 在室温下,根据半导体材料物理学理论,在强电场(大于10Vöcm)作用下,半导体材料中载流子的迁移率[3]将随电场的增强而减小,近似的理论推导为1ö4L=(32ö3P)L0uöûEû(2)X收稿日期:2001207216;修订日期
7、:2002201225基金项目:国家863激光技术领域资助课题(86324102724.1)作者简介:黄文华(19682),男,硕士,副研究员,主要从事高功率微波产生、效应与测量技术研究;西安69226信箱。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.450强激光与粒子束第14卷式中:L0为零电场时的迁移率;u为晶格波传播常数;ûEû为电场强度。可见载流子的迁移率大小与电场的平方根成反比。在实际工作中,迁移率随电场的变化关系
8、是采用实验结果拟合的经验关系,如Baliga给出的一个轻[4]掺杂硅材料的经验关系式为69.85×10226Ln=51.30.77(cmöVõs),E=10～10Vöcm(3)(1.04×10+E)68.91×10226Lp=51.20.83(cmöVõs),E=10～10Vöcm(4)(1.41×10+E) 由于一般掺杂半导体材料中,多数载流子的浓度往往比少子的浓度要高几个量级,因此,在考虑材料电阻率随载流子迁移率变化时只
