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PIN限幅二极管微波击穿效应机理研究

发布时间:2017-07-03 12:12

  本文关键词:PIN限幅二极管微波击穿效应机理研究


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【摘要】:在雷达系统前端中,除气体放电T/R管之外,PIN限幅器是保护后面敏感器件不被自身泄漏功率和临近大功率注入造成损伤的唯一器件。了解和掌握PIN限幅器在HPM电磁环境下损伤机制与规律对微波前端HPM防护技术发展具有重要意义。论文开展了单级PIN限幅器HPM击穿效应机理理论和实验研究,利用Synopsys公司半导体物理工艺与器件模拟软件Sentaurus建立了PIN限幅二极管二维TCAD模型,优化选取合适物理模型,进行HPM效应仿真。首先,完成了器件正向、反向直流特性和微波输入、输出特性仿真验证;其次,搭建注入效应实验系统并进行单级PIN限幅器注入实验,通过注入实验数据与仿真结果对比分析进一步优化器件模型参数;最后,论文开展了EMP脉冲和微波脉冲作用下PIN限幅器瞬态响应仿真和结果数据对比分析;通过观察EMP脉冲和微波脉冲下电流密度、电场分布以及温度分布随时间变化的关系,总结了PIN二极管微波击穿损伤效应机理规律。EMP脉冲作用下,随着脉冲反向偏压的增大,PIN二极管内部电场逐渐向I层扩展并在PN结边缘部分率先发生雪崩击穿;由于空间电荷效应引起的负阻效应导致产生电流丝现象,同时器件温度上升。另一方面,雪崩电离率与温度成负相关,因此造成电流丝的移动;而在电流丝移动的过程中,电流丝形状和器件内部最大电场强度基本不变且两者位置重叠,但最大温升与电流丝有位置延后并呈现越来越小的趋势;当器件温升达到1000K时,电流丝不再移动直至器件发生局部热二次击穿。在大功率微波脉冲作用下,当刚处于反向偏压时,与EMP脉冲作用类似在PN结边缘出现电流密度集中的现象,说明器件局部已发生雪崩击穿;在反向周期过程中,电场出现双峰现象,其易引起双结雪崩击穿,导致器件不稳定;温度分布会随着电场分布的变化而变化;在不同周期且都刚处于反向偏压情况下,随着时间的增加,电流密度开始出现向I层扩展的现象,但最高电流密度基本不变;观察到温度分布向I层两侧和PN结边缘集中,并在局部雪崩击穿地方出现温度集中的斑点,共同造成器件局部发生热二次击穿。
【关键词】:PIN限幅器 HPM 微波击穿 损伤机理
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN312.4
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-10
  • 第一章 绪论10-15
  • 1.1 课题研究背景和意义10
  • 1.2 国内外研究现状10-13
  • 1.3 论文主要内容和结构安排13-15
  • 第二章 PIN限幅器的工作原理15-25
  • 2.1 PIN二极管15-18
  • 2.1.1 PIN二极管基本结构15
  • 2.1.2 PIN二极管基本特性15-18
  • 2.2 PIN二极管直流反向击穿电压理论分析18-22
  • 2.3 PIN限幅器电路22-24
  • 2.3.1 PIN限幅器简介22-23
  • 2.3.2 单级PIN限幅器设计分析23-24
  • 2.4 本章小结24-25
  • 第三章 PIN二极管与PIN限幅器TCAD建模25-38
  • 3.1 工艺及器件仿真工具SENTAURUS-TCAD简介25-27
  • 3.2 PIN二极管模型建立27-33
  • 3.2.1 PIN二极管二维模型建模27-28
  • 3.2.2 物理模型选取28-33
  • 3.3 PIN二极管模型直流特性仿真验证33-34
  • 3.4 单级PIN限幅器输入/输出特性仿真验证34-37
  • 3.5 本章小结37-38
  • 第四章 单级PIN限幅器注入实验38-43
  • 4.1 小信号频域特性分析38-39
  • 4.2 注入实验系统39-42
  • 4.2.1 实验原理39-40
  • 4.2.2 注入实验40-42
  • 4.3 本章小结42-43
  • 第五章 单级PIN限幅器瞬态响应43-72
  • 5.1 无载频EMP脉冲注入下瞬态响应43-52
  • 5.1.1 电场强度随时间变化关系44-45
  • 5.1.2 电流密度随时间变化关系45-50
  • 5.1.3 温度分布随时间变化关系50-52
  • 5.2 大功率微波脉冲注入下瞬态响应52-70
  • 5.2.1 电流密度随时间变化关系54-58
  • 5.2.2 电场强度随时间变化关系58-60
  • 5.2.3 温度分布随时间变化关系60-64
  • 5.2.4 不同微波脉冲参数下瞬态响应64-70
  • 5.3 本章小结70-72
  • 第六章 结论72-74
  • 6.1 本文的主要工作和成果72-73
  • 6.2 下一步工作的展望73-74
  • 致谢74-75
  • 参考文献75-78

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