[发明专利]高功率电磁脉冲作用下PIN限幅器电热一体化分析方法

说明书

本发明公开了一种高功率电磁脉冲作用下PIN限幅器电热一体化分析方法，并给出了在高功率脉冲作用下限幅器电路中PIN二极管内部的温度分布。该方法首先采用时域谱元法计算了半导体漂移‑扩散方程组，得到PIN二极管内部的载流子、分布以及电势分布。接着在求得半导体内部电场以及电流密度的基础上，从热传导方程出发，计算得到PIN二极管内部温度分布。最后推导限幅器电路方程的牛顿迭代形式，并且与漂移‑扩散方程组、热传导方程进行耦合求解，利用物理模型计算得到电路中PIN二极管两端实际电压以及PIN二极管内部的温度分布。

技术领域

本发明属于半导体器件的电热一体化分析，特别是针对PIN管限幅器设计的数值分析方法。

背景技术

高功率电磁脉冲是指微波的脉冲峰值功率在100MW以上，频率在0.3～300GHz范围内的电磁脉冲。高功率微波武器是将高功率微波源产生的微波经高增益定向天线辐射，以极高的强度照射目标，杀伤人员和破坏电子设备(谭显裕，高功率微博新概念武器的技术现状和发展[J].航空兵器,2004,1:8-11)。高功率电磁脉冲使电气组件烧毁，或者对电气子系统的性能造成影响。高功率电磁脉冲对电子设备的毁伤效应主要有两种方式：(1)高功率电磁脉冲作用下金属表面或金属导线产生感应电压或电流并对电子元器件产生的效应，如造成电路器件状态翻转、器件性能下降和半导体器件的击穿等。(2)高功率电磁脉冲作用下介质内部热能的聚集、加热导致升温引起的效应，该效应可以烧毁器件或导致半导体结出现二次击穿等。器件烧毁包括半导体器件的结烧蚀，金属连线熔断等，这将造成永久性损伤。高功率微波不仅对电子系统进行摧毁，当高功率微波耦合进入电路后，也对电子系统的性能产生影响。比如被PN结整流，产生了与正常电路工作电压相等的电压，导致数字电路的翻转，从而破坏系统功能。

上世纪70年代以来，由于计算机技术的飞速发展，计算电磁学获得了迅猛发展。相对于解析方法，数值方法能够解决很大一类计算巨大，结构复杂而解析方法难以或无法得到精确结果的问题。对于电磁模型数值求解，目前主流方法按时频域分为时域方法(如时域有限差分法)和频域方法(如有限元，矩量法等)等。半导体的数值分析一般采用FDTD，FEM等方法更为普遍。然而由于FDTD的Yee网格特性决定了其无法模拟结构复杂的模型。FEM应用到时域时每个时间步都涉及到对线性方程组的求解，计算量非常庞大，很浪费时间。而时域谱元法(Joon-Ho Lee and Qing Huo Liu,“A 3-D Spectral-Element Time-DomainMethod for Electromagnetic Simulation,”IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques.,vol.55,no.5,pp.983-991,May 2007)使用相同的网格离散，建模灵活，剖分方便，形成的矩阵具有良好的稀疏性，求解效率较高。

发明内容

本发明的目的在于结合半导体数值分析方法，提出一种高功率电磁脉冲作用下PIN限幅器的电热一体化分析的方法，其步骤如下：

第一步，建立所要求解的PIN二极管的物理模型，并采用曲六面体对该物理模型进行剖分，得到PIN二极管物理模型的结构信息，即六面体单元的编号和六面体上各节点的物理坐标值；

第二步，从半导体漂移-扩散方程组出发，对方程组采用伽辽金测试，将所要求解的未知量(载流子浓度n、p以及电势)在各节点上展开，得到求解方程。利用牛顿迭代法求解方程得到PIN二极管物理模型各节点上的载流子浓度以及电势分布；

第三步，从热传导方程出发，对热传导方程采用伽辽金测试，将所要求解未知量(温度T)在各节点上展开，得到求解方程。将PIN二极管物理模型各节点上功率密度P_d代入热传导方程，计算得到PIN二极管内部温度T分布；