脉冲宽度对PIN限幅器微波脉冲热效应的影响

第２２卷第７期　２０１０年７月　强　激　光　与　粒　子　束　ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　ＬＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　Ｖｏｌ＿２２，ＮＯ．７　Ｊｕ１．，２０１０　

文章编号：　１００１—４３２２（２０１０）０７—１６０２—０５　

脉冲宽度对ＰＩＮ限幅器微波脉冲热效应的影响　

陈　曦，　杜正伟，　龚　克　

（清华大学微波与数字通信国家重点实验室，北京１０００８４）　

摘　要：　通过数值求解半导体方程组仿真了高功率微波脉冲作用下的ＰＩＮ二极管，研究了高功率微波　脉冲的脉冲宽度对其烧毁的影响。发现脉冲宽度在ｎｓ至　ｓ量级时，脉冲功率随脉冲宽度上升而下降，并且近　似成反比。在此基础上，基于ＰＩＮ二极管的Ｌｅｅｎｏｖ模型和电路的戴维南定理对其机理进行了分析。在脉冲　宽度由ｎｓ向　ｓ量级变化中，器件热效应由绝热加热转为有热传导的加热；与此同时，其实际吸收功率由与入　射功率成正比转为与入射功率开方成正比；此二者共同作用导致了脉冲宽度对烧毁影响。　关键词：　微波脉冲；ＰＩＮ限幅器；　热效应；　半导体器件仿真；　脉冲宽度　中图分类号：ＴＮ３２２．８　文献标志码：　Ａ　ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０７．１６０２　

微波脉冲是近年来引起广泛重视的一种强电磁干扰ｌ１＿６］，它的功率很高，能量主要集中在微波频段。这种　

微波脉冲的危害之一就是它有可能烧毁射频接收机的射频前端。具体来说，它可以通过辐射以及传导的途径，　从天线进入射频前端。而它所引起的高电压强电流，可以造成射频前端中的微波晶体管烧毁，最终导致通信中　

断、雷达失效等等一系列严重后果。典型射频前端的核心低噪声放大器（ＬＮＡ）是相对比较脆弱的，但是在天　线与其之间，有时装有起防护作用的ＰＩＮ限幅器。ＰＩＮ限幅器的核心是ＰＩＮ二极管，与普通二极管的区别即　在于它在Ｐ区和Ｎ区之间有一个掺杂浓度较低的Ｉ区。但是如果微波脉冲功率足够强，ＰＩＮ限幅器本身也可　能被烧毁＿】］。以往也有基于防护的角度针对ＰＩＮ限幅器的研究，例如对ＰＩＮ限幅器的理论分析　ｊ，以及基于　

ＰＳＰＩＣＥ模型的仿真研究＿８］。但是这些研究没有考虑高温强电场的影响。如果站在传统的防护角度，这是可　以满足需求的，因为这时关心的只是ＰＩＮ限幅器在额定工作状态下的防护特性，而一般设计会留有冗余。但　是，如果从干扰源的角度来分析，有可能需要在方法上做出修正。因为我们所关心的本身就是假如注入的功率　

超过额定功率，那么ＰＩＮ限幅器还能不能有效地防护，而此时ＰＩＮ限幅器正处于高温强电场的非正常状态。　因此，如果想要搞清楚微波脉冲对加装有ＰＩＮ限幅器的射频前端构成威胁，那么需要在考虑热效应、强场效应　的前提下，来研究ＰＩＮ限幅器。脉冲宽度是微波脉冲最主要的参数。从防护角度讲，究竟ＰＩＮ限幅器能否起　

到有效地防护作用；或者从干扰源的角度讲，究竟何种参数的微波脉冲最具威胁性，是目前亟待解决的问题。　本文仿真研究了脉冲宽度对ＰＩＮ限幅器的烧毁的影响，并对结果进行了机理分析。　

１　微波脉冲宽度对ＰＩＮ限幅器烧毁的影响　为分析脉冲宽度的影响，仿真了频率分别为１．０００　ＧＨｚ和２．８６５　ＧＨｚ的微波脉冲对ＰＩＮ限幅器的作用。　所用器件是依照某型号硅材料ＰＩＮ管建模的，Ｉ区宽度约为５　ｍ，如图１所示掺杂浓度分布如图２所示。仿　

Ｆｉｇ．１　ＰＩＮ　ｌｉｍｉｔｅｒ　ａｓ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　图１　ＰＩＮ限幅器作为防护组件　Ｆｉｇ．２　Ｄｏｐｉｎｇ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ＰＩＮ　ｄｉｏｄｅ　图２　ＰＩＮ二极管的杂质浓度分布　

＊收稿日期：２００９一ｎ一０２；　修订日期：２００９—１２－０７　作者简介：陈曦（１９８４一），男，博士研究生，现主要从事计算电磁学和电磁兼容研究；ｘ　ｃ０２＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ。

　第７期　陈　曦等：脉冲宽度对ＰＩＮ限幅器微波脉冲热效应的影响　１６Ｏ３　

真过程中，所采用限幅器板图示意图如图３所示。将其中金丝等元件做相应等效后的仿真原理图如图４所　

示。采用的基于漂移扩散模型的半导体器件仿真器对半导体方程组进行求解　。该模型考虑了半导体的高温　强电场效应。　

Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＰＩＮ　ｌｉｍｉｔｅｒ　图３　ＰＩＮ限幅器结构示意图　ＨＰＭ　ＳＯＵｒＣｅ　Ｒ．＝５０Ｑ　

Ｆｉｇ．４　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ＰＩＮ　ｌｉｍｉｔｅｒ　ｆｏｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　图４　ＰＩＮ限幅器仿真原理图　

仿真结果如图５和图６所示。仿真频率为１　ＧＨｚ，分别仿真当器件内一点温度达到１　６８０　Ｋ（硅的熔点）　或８００　Ｋ所需的时间。拟合公式为Ｐ一２．３９×１０　・　。和Ｐ一１．１３×１０　“。由图可见，当在脉冲宽度在２Ｏ～　２　０００　ｎｓ时，ＰＩＮ管达到一定最高温度所需脉冲功率随脉冲宽度增加而下降。脉冲宽度与所需的脉冲功率之　

间近似成反比，即Ｐ＝－Ａｔ，其中Ａ为相应的系数。　

１０　ｌＯ０　ｌ　０００　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ／ｎｓ　Ｆｉｇ．５　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｏｒ　ＰＩＮ　ｄｉｏｄｅ　ｔｏ　ｒｅａｃｈ　１　６８０　Ｋ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ（１　ＧＨｚ）　图５脉冲宽度与ＰＩＮ管最高温度达到１　６８０　Ｋ　所需功率之间的关系（１　ＧＨｚ）　

图７和图８是仿真频率为２．８６５　ＧＨｚ时的结果。情况与　之间近似成反比。脉冲宽度更长的情况还有待进一步研究。　

２　毫　

＆　善　弓　量　

ｌＯ　１００　１　０００　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ／ｎｓ　Ｆｉｇ．７　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｏｒ　ＰＩＮ　ｄｉｏｄｅ　ｔｏ　ｒｅａｃｈ　１　６８０　Ｋ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ（２．８６５　ＧＨｚ）　图７脉冲宽度与ＰＩＮ管最高温度达到１　６８０　Ｋ　所需功率之间的关系（２．８６５　ＧＨｚ）　毛　萎　虽　

鼍　

１　１０　ｌ００　ｌ　０００　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ／ｎｓ　Ｆｉｇ．６　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｏｒ　ＰＩＮ　ｄｉｏｄｅ　ｔＯ　ｒｅａｃｈ　８００　Ｋ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ（１　ＧＨｚ）　图６脉冲宽度与ＰＩＮ管最高温度达到８００　Ｋ　所需功率之间的关系（１　ＧＨｚ）　

１　ＧＨｚ时是类似的，脉冲宽度与所需的脉冲功率　

８５　

８。　

毛７５　羞７ｏ　

善６５　至６０　

５５　

５Ｏ　１　ｌＯ　１ＯＯ　ｌ　０００　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ／ｎｓ　Ｆｉｇ．８　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｏｒ　ＰＩＮ　ｄｉｏｄｅ　ｔｏ　ｒｅａｃｈ　８００　Ｋ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ（２．８６５　ＧＨｚ）　图８脉冲宽度与ＰＩＮ管最高温度达到８００　Ｋ　所需功率之间的关系（２．８６５　ＧＨｚ）　

微波脉冲宽度对ＰＩＮ限幅器热效应的影响的机理分析　

在微波脉冲宽度一定的情况下，ＰＩＮ管达到一定最高温度所需功率是由烧毁所需能量和实际吸收功率（脉　∞　加　∞　卯　∞　加　：３　∞　∞　≥／Ｊ３＾若口ｌｕ０　ｐｌ３ｕ一

　１６０４　强　激　光　与　粒　子　束　第２２卷　

冲源注入的功率有相当一部分被反射）决定的。因此，下面就从这两方面进行分析。　

２．１　ＰＩＮ管实际吸收的能量　ＰＩＮ管实际吸收的能量与脉冲宽度的关系可以分为２个区间。图９和图１０对比了不同脉冲宽度时，ＰＩＮ　管达到一定最高温度时所吸收的能量（不计衬底）。图中Ｅ为实际吸收的能量。从图示的数据来看，在脉冲宽　

度较短时（几十ｎｓ以内），有源区平均吸收的功率与脉宽的关系基本满足绝热关系，ＰＩＮ管达到一定最高温度　所需能量近似为常数Ｅ；但是当脉冲宽度较宽时（几百ｎｓ至　ｓ量级），由于热传导所需能量随脉冲宽度上升而　

Ｅ升，并近似与脉冲宽度的开方成正比。　

ｌＯ　

１０　】００　】０００　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ／ｎｓ　Ｆｉｇ．９　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｆｏｒ　ＰＩＮ　ｄｉｏｄｅ　ｔｏ　ｒｅａｃｈ　１　６８０　Ｋ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ（１　ＧＨｚ）　图９脉冲宽度与ＰＩＮ管最高温度达到　１　６８０　Ｋ所需能量之间的关系（１　ＧＨｚ）　１Ｏ　

】０　】００　１　０００　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ／ｎｓ　Ｆｉｇ．１０　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｆｏｒ　ＰＩＮ　ｄｉｏｄｅ　ｔｏ　ｒｅａｃｈ　１　６８０　Ｋ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ（２．８６５　ＧＨｚ）　图１Ｏ脉冲宽度与ＰＩＮ管最高温度达到　ｌ　６８０　Ｋ所需能量之间的关系（２．８６５　ＧＨｚ）　

２．２　ＰＩＮ管实际吸收的脉冲功率　ＰＩＮ管实际吸收的功率也需要分两个区间来讨论。　目前的理论分析中，Ｌｅｅｎｏｖ模型　几乎是分析ＰＩＮ管唯一可用的模型。在功率不是很高的情况下，它是　基本能够适用的。Ｌｅｅｎｏｖ模型给出了ＰＩＮ管阻抗（Ｒ）与微波电流（　）、微波角频率（　）、ＰＩＮ管Ｉ区宽度（　）之　

间的关系　

Ｒ一　ｗ　１　７　

式中：Ｄ是扩散系数；　＝ｋＴ／ｑ，ｑ为电子电量。　基于Ｌｅｅｎｏｖ模型，可以分析实际吸收的功率与入射功率的关系。首先应用戴维南定理对如图１ｌ的限幅　

器电路做适当等效，从ＰＩＮ管向外看，微波源及其５０　Ｑ内阻等效为图１２。由于在大功率微波的作用下，ＰＩＮ　管的阻抗极小，所以微波源可视为电流源，如图１３所示。等效电流源，的电流与微波源入射功率Ｐ关系为　，。Ｃ　Ｐ　ｊ　（２）　兄　

ＧＮＤ　Ｆｉｇ．１　１　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ＰＩＮ　ｌｉｍｉｔｅｒ　图１１　ＰＩＮ限幅器电路　ＧＮＤ　Ｆｉｇ．１　２　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ＰＩＮ　ｌｉｍｉｔｅｒ　（ａｐｐｌｉｎｇ　Ｔｈｅｖｅｎｉｎ’ｓ　ｔｈｅｏｒｅｍ）　图１２　ＰＩＮ戴维南定理等效后　

由式（１）可知，有ＰＩＮ管阻抗与微波电流成反比即　

Ｒ。Ｃ÷。Ｃ　Ｐｎ¨｝　

因此实际吸收功率Ｐ　与入射功率Ｐ成正比，即　

Ｐ　ｂ　ｂ一１２Ｒ　０：２　１　０（２　Ｐ专　／　

ＧＮＤ　Ｆｉｇ．１　３　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ＰＩＮ　ｌｉｍｉｔｅｒ（ｅｑｕｉｌｖａｌｅｎｔ　ｔｏ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｔｌｒｃｅ）　图１３近似视为电流源　

（３）　

（４）　、　ｆｊａ

　０　第７期　陈曦等：脉冲宽度对ＰＩＮ限幅器微波脉冲热效应的影响　

图１４是仿真的入射功率与阻抗的关系。图中Ｒ为阻抗，单　

位是Ｑ。当入射功率略低时，阻抗与入射功率的开方近似成反　比，即与上述基于Ｌｅｅｎｏｖ模型的推导一致。这意味着随着入射　

功率的提高，器件实际吸收的功率并没有同比提高，而是实际吸　收的所占比例在缩小，实际吸收功率与入射功率的开方成正比。　但是当功率较高时，Ｉ　ｅｅｎｏｖ模型将不能适用。因为Ｉ区载　

流子是由Ｐ区和Ｎ区注入的，一般小于Ｐ区和Ｎ区的杂质浓度。　然而ＬｅｅｎＯｖ模型中假设Ｐ区、Ｎ区杂质浓度充分大，从而当功　率过高时　按Ｌｅｅｎｏｖ模型计算出的Ｉ区载流子浓度可能高于实　

际，甚至与Ｐ区Ｎ区杂质浓度可比拟。因此Ｌｅｅｎｏｖ模型的这一　假设仅在功率适中时才是合理的。仿真结果亦是如此，当图１４　中功率很高时，阻抗Ｒ随入射功率Ｐ变化相对较小，即