Влияние конструкции на эффект термического выгорания СВЧ-импульсами PIN-ограничительных диодов

May 24, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 3230 (2022) Цитировать эту статью

930 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Положительно-отрицательные (PIN) ограничители широко используются для защиты чувствительных компонентов от самой утечки мощности и сопутствующей подачи высокой мощности. PIN-диод, являющийся основой PIN-ограничителя, может сгореть из-за внешних микроволновых импульсов. Здесь, используя разработанную нами программу параллельных вычислений для полупроводниковых мультифизических эффектов, мы исследовали влияние толщины I-слоя и диаметра анода PIN-диода на максимальную кривую изменения температуры PIN-диодного ограничителя. Критерий порога повреждения при численном моделировании впервые был изучен путем сравнения экспериментальных результатов с результатами моделирования. Затем определялось влияние конструкции на эффект термического выгорания СВЧ-импульсами PIN-ограничительных диодов.

Во входной части радиолокационной системы ограничитель положительного-отрицательного значения (PIN) является одним из наиболее важных модулей для защиты задних чувствительных устройств от самой утечки мощности и сопутствующей подачи высокой мощности1,2,3. Однако с развитием технологии импульсной мощности и широким распространением радаров электромагнитная обстановка, с которой сталкиваются радиолокационные системы, становится все более сложной. Внешние микроволновые импульсы могут попасть в электронные системы через антенну и еще больше повредить ограничитель PIN-кода3,4,5.

PIN-диод, являющийся основой PIN-ограничителя, представляет собой чувствительный полупроводниковый прибор, который может сгореть под воздействием микроволновых импульсов. Перегорание PIN-диода может привести к выходу из строя радиочастотного интерфейса или даже всей электронной системы6,7. Таким образом, было проведено множество исследований по влиянию микроволнового импульса на PIN-ограничитель. Указано, что основными причинами эффекта выгорания СВЧ-импульсами PIN-диодов являются перегорание перехода, перегорание металлизации и тепловой повторный пробой8,9,10,11. Однако в литературе имеется мало работ о влиянии структуры, особенно толщины I-слоя и диаметра анода PIN-диода, на эффект термического выгорания, вызванный микроволновыми импульсами.

В этой работе, используя JEMS-CDS Device, программу параллельных вычислений для полупроводниковых мультифизических эффектов, мы изучили критерий порога повреждения при численном моделировании путем сравнения экспериментальных результатов и результатов моделирования. Затем путем моделирования мы определили влияние структуры PIN-ограничивающего диода на эффект термического выгорания, вызванный СВЧ-импульсом.

Типичный ограничитель PIN включает в себя одно- или многокаскадные PIN-диоды. Для устранения помех от других факторов, кроме толщины слоя I и диаметра анода PIN-диода, как, например, у других PIN-диодов и сложных периферийных схем, в качестве ограничителя выбран однокаскадный ограничитель, структура которого показана на рис. 1. цель исследования. Типичный ограничитель с одним PIN-диодом состоит из одного PIN-диода, двух блочных конденсаторов постоянного тока (DC) и параллельного индуктора. Индуктивность параллельного индуктора составляет 40 нГн, все конденсаторы блока постоянного тока в этой работе имеют емкость 30 пФ, а PIN-диоды представляют собой модель серии CLA производства Skyworks12. Структура PIN-диодов модели CLA, материалом которых является кремний, показана на рис. 2. PIN-диод в основном состоит из толстой подложки и трех слоев, называемых P+, I и N+, установленных на ней.

Структура использованного в исследовании однокаскадного PIN-диодного ограничителя.

Структура PIN-диода модели CLA. (а) Вид сверху (б) Вид сбоку.

В нашей численной методологии сначала решается набор полупроводниковых уравнений, основанных на модели дрейфа-диффузии13, чтобы получить переходное распределение источника тепла по PIN-диоду. Модель дрейфа-диффузии включает следующие уравнения.