大功率微波作用下PIN二极管的损伤特性仿真研究

摘要

近年来，半导体科学技术的大发展推动了新型器件的发展和应用，但随着电子电路集成度的提高，其对电磁脉冲和大功率微波的损伤效应敏感程度也随之增加。在工业应用中，微波源这类大功率电子系统会持续产生大功率的微波泄漏，这部分微波泄漏能够通过传输线把能量耦合进系统内部，对电路上的半导体器件形成干扰和损坏。PIN二极管由于其反向击穿电压高，可以承受的功率高，具有良好的可靠性和稳定型，而被广泛应用在军用和民用领域。因此有必要对大量应用于各功能电路中的PIN二极管的大功率微波损伤效应开展深入研究。
　　本文首先对PIN二极管的工作原理和物理模型及结构进行了介绍，利用半导体器件仿真软件对PIN二极管进行二维仿真建模。研究了快上升沿电磁脉冲信号作用下PIN二极管的毁伤效应和机理。通过分析仿真结果探讨了当电磁脉冲作用于PIN二极管时，器件内部电流密度、电场强度、晶格温度以及毁伤阈值与脉冲参数之间的关系。得出结论:电磁脉冲前沿上升时间越短、初始偏压越高，二极管越容易击穿;损伤及烧毁阈值随电压幅度的增加而升高，随上升时间的增加而降低，即同一器件的烧毁能量不是恒定值。
　　对二极管瞬态响应的仿真分析为微波仿真奠定了基础，最后一章仿真了正弦电压信号作用下二极管的损伤行为，得出初步结论，当微波信号频率较低时器件更容易被正向烧毁，热量的不断积累导致器件温度升至硅熔点。当微波信号频率较高时更容易被反向烧毁，若反向过冲电流不足以激发二次击穿则高频下的反向烧毁时间较低频下的正向烧毁时间更长。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容及结构安排

1．4 本章小结

第2章 半导体数值模拟理论基础

2．1 载流子输运

2．1．1 载流子的漂移运动

2．1．2 载流子的产生复合

2．2 基本方程组

2．2．1 泊松方程

2．2．2 电流连续性方程

2．2．3 载流子输运方程

2．2．4 热传导方程

2．3 本章小结

第3章 器件二维物理模型的建立

3．1 模型建立流程

3．2 器件二维物理模型的建立

3．2．1 网格划分

3．2．2 工艺模型参数

3．3 物理模型和数值方法的选取

3．3．1 物理模型

3．3．2 数值计算方法

3．4 本章小结

第4章 PIN二极管的瞬态响应仿真与损伤分析

4．1 PIN二极管工作原理与模型的建立

4．1．1 PIN二极管结构及工作原理

4．1．2 二维模型的建立

4．2 仿真及结果分析

4．2．1 正向特性仿真

4．2．2 反向击穿仿真

4．3 电磁脉冲作用下PIN二极管的损伤特性分析

4．3．1 脉冲幅值对损伤的影响

4．3．2 脉冲前沿上升时间对损伤的影响

4．4 电磁脉冲作用下PIN二极管的损伤能量分析

4．4．1 损伤能量与脉冲幅值的关系

4．4．2 损伤能量与脉冲前沿上升时间的关系

4．5 本章小结

第5章 PIN二极管大功率微波损伤效应与机理

5．1 微波信号频率对PIN二极管损伤的影响

5．2 微波信号频率、幅值对PIN二极管烧毁时间的影响

5．3 实际干扰波形对PIN二极管的影响分析

5．3．1 实际干扰波形仿真分析

5．3．2 初始仿真温度对二极管的影响分析

5．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目