PIN二极管的高功率微波响应

第14卷　第2期强激光与粒子束V o l.14,N o.2 2002年3月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S M ar.,2002　文章编号:100124322(2002)022*******
P IN二极管的高功率微波响应Ξ
余　稳1,3　聂建军3,　郭杰荣3,　周传明2,　张义门1
(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m PND1D(采用时域有限差分方法,求解器件内部
载流子所满足的非线性、耦合、刚性方程组),对P I N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。

P I N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P I N二极管限幅器),因此,我们利用自行研制开发的计算程序m PND1D[1]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
采用典型的P I N二极管限幅器(扩散结)模型,器件长度4Λm,截面积10-6c m2,杂质浓度1019c m-3, I区掺杂浓度5×1015c m-3,少子寿命10-6s,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2p F)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(FD TD)方法及“混合”算法求解[3]。

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,对P I N二极管限幅器用振幅为100V,频率在1～300GH z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1,4GH z 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20GH z),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
Ξ收稿日期:2001205218;　修订日期:2001211202
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。

化关系,另外,从约20GH z 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1n s 源电压需10h CPU (P II 200)时间),因此20GH z 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。

F ig .1　Current response vs frequency 图1
　不同频率时的器件电流响应F ig .2　Current density amp litude and ti m e needed vs frequency
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
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,二极管电流达到稳恒幅值所需时间增加,且稳恒值逐渐减小。

图3表示当激励源幅值为200V 、频率为7GH z 时,在不同器件温度恒定值情况下,电流稳恒幅值随激励源频率的变化关系。

3　二极管截止频率
对于二极管,其截止频率可粗略认为是[4]
f T =V s 2L
其中:V s 为截流子饱和漂移速度,L 为PN 结与高低结间的距离。

对本计算所用p +nn +二极管,L 为3Λm ,取饱和漂移速度为107m ・s -1,则该器件的截止频率f
T 约
为16GH z。

F ig .3Current response vs temperature and frequency 图3
　器件在不同恒定温度下对不同频率激励源的响应F ig .4　Cutoff frequency vs amp litude and pulse w idth 图4　截止频率随激励源幅值及脉宽的变化
从计算结果图3至图5可看出,器件的截止频率既与激励源的脉宽和振幅有关,也与器件的恒定温
003 强激光与粒子束 第14卷
度值有关。

图3所示结果表明,随着器件的恒定温度值升高,截止频率下降。

图4表示器件在长脉冲(足以使器件电流幅值达到稳恒)和短脉冲(脉宽2n s )激励下,器件截止频率随激励源幅值的变化情况。

图5分别表示器件在长、短脉冲作用下器件稳恒电流密度幅值随频率的变化情况,图4中所示截止频率即由此两图利用插值方法获得(此处取电流密度幅值降至2GH z 时幅值的1 10时对应的频率作为截止频率)。

从图4可看出,随着激励源幅值升高,器件截止频率增大,随着脉冲长度缩短,器件截止频率降低。

F ig .5Current density amp litude vs frequency and amp litude of the source
图5　不同脉冲长度时器件电流密度幅值随激励源频率及幅值的变化
参考文献:
[1]　余稳,蔡新华,黄文华,等.一维PN 结二极管模拟程序m PND 1D [J ].常德师范学院学报(自然科学版).2000,12(1):40.(Yu W ,
Cai X H ,H uang W H ,et al .m PND 1D 2a code fo r modeling of one 2di m ensi onal PN di ode .Journal of Changde N o rm al Co llege
(natural science editi on ),2000,12(1):40)
[2]　余稳,蔡新华,黄文华,等.半导体器件的电流模式破坏[J ].强激光与粒子束,1999,11(3):355.(Yu W ,Cai X H ,H uang W H ,et
al .T he current 2mode destroy of sem iconducto r devices by electrom agnetic pulse .H ig h p o w er laser and p article beam s ,1999,11(3):355)
[3]　余稳.半导体器件一维模拟的耦合、非耦合及“混合”算法[J ].武陵学刊,1999,20(3):34.(Yu W .T he coup ling 、uncoup ling and "
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[4]　施敏.半导体器件物理[M ].北京:电子工业出版社,1987.
(Sze S .M .T he physics of the sem iconducto r devices .Beijing :
E lectronic Industry P ress ,1987)Respon se of the P IN d iode to the h igh power m icrowave
YU W en 1,3,N IE J ian 2jun 3,GUO J ie 2rong 3,ZHOU Chuan 2m ing 2,Zhang Y i 2m en 1
(1.X id ian U n iversity ,X i ’an 710071,Ch ina ;2.Institu te of A pp lied E lectron ics ,CA E P ,P .O .B ox 919,
M iany ang 621900,Ch ina ;3.Institu te of E lectron ics ,Chang d e N or m a l Colleg e ,Chang d e 415000,Ch ina )
Abstract :　M ak ing u se of ou r ow n p rogram m PND 1D fo r modeling the sem iconducto r devices ,the respon se of a P I N di ode li m iter to the h igh pow er m icrow ave (H P M )w as calcu lated ,resu lts fo r differen t conditi on s w as compared ,and also the di ode cu toff frequency fo r m icrow ave sou rces w as analyzed .T he resu lts show that the cu toff frequency increases w ith the rising of the sou rce amp litude ,and it decreases w ith the decreasing of pu lse length and device temperatu re .
Key words :　di ode li m iter ;h igh pow er m icrow ave ;cu toff frequency
103第2期 余　稳等:P I N 二极管的高功率微波响应。