本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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-HoLeeandQingHuoLiu,“A3-DSpectral-ElementTime-DomainMethodforElectromagneticSimulation,”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques.,vol.55,no.5,pp.983-991,May2007)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。
技术实现思路
本专利技术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Pd代入热传导方程，计算得到PIN二极管内部温度T分布；第四步，对于PIN限幅器电路，遵循基尔霍夫电压、电流定律推导出电路方程，对电路方程采用牛顿迭代法进行求解，所要求解的未知量为电路中PIN二极管两端电压。在给定PIN二极管试探电压的情况下，电路中PIN二极管的电流和温度采用第二步和第三步中的物理模型求解得到，所求得的PIN二极管电流代入电路方程进行下一步牛顿迭代；第五步，不断重复第二、三、四步，直到求得的PIN二极管两端电压满足收敛精度，此时求得的电压即为限幅电路中PIN二极管两端真实电压。PIN管内部的载流子浓度n、p、电势和温度T的分布也可以同时得到；第六步，对PIN限幅器电路加上一个高功率脉冲(如雷电脉冲)，通过第五步所述的求解过程求得电路中PIN二极管两端电压、电流以及PIN二极管中的温度分布；本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)PIN二极管采用物理模型求解，可以得到器件内部的电特性和热特性的分布。(2)将PIN二极管放入电路中，将电路方程与PIN二极管物理模型控制方程(漂移-扩散方程组、热传导方程)进行耦合求解，可以模拟PIN二极管在限幅器电路中的工作情况。(3)半导体器件的电特性与热特性是一体化分析的，没有将其割裂开来。而且外电路方程牛顿迭代的下一步可以将电热之间的相互影响联系起来。(4)SETD采用曲六面体剖分，建模灵活，剖分方便，使用特定的正交多项式作为基函数，随着多项式阶数的提高，计算误差将呈指数下降。附图说明图1是计算所用PIN管掺杂。图2是计算所用PIN管限幅器电路。图3是限幅器加雷电脉冲时PIN管两端电压。图4是限幅器加雷电脉冲时PIN管内部最高温度。图5是PIN管在烧毁时刻内部温度分布。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。1、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。计算所采用的PIN二极管物理模型为p+nn+结构的一维器件模型，衬底为n+硅材料，掺杂施主浓度为1019cm-3，掺杂采用高斯分布。在衬底上生长厚度为10μm的n型外延层，掺杂施主浓度1015cm-3。受主杂质扩散进入外延层而形成p区，杂质分布为高斯型，pn结处(深度为3μm)浓度为1015cm-3，掺杂分布如图1所示。2、根据载流子漂移-扩散理论，泊松方程、电流密度方程、电流连续性方程是表征半导体器件内部电参量的一组基本公式。漂移扩散模型主要由以下三组方程构成：泊松方程：泊松方程中，是电势，q是单位电荷电量，n是电子浓度，p是空穴浓度，是净掺杂浓度,和分别为施主杂质浓度和受主杂质浓度。电流密度方程：电流连续性方程： ∂ n ∂ t = 1 q ▿ · J n + G - R ]]> ∂ 本文档来自技高网...
【技术保护点】
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，其特征在于包括以下步骤：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、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代入热传导方程，计算得到PIN二极管内部温度分布；第四步，对于PIN限幅器电路，遵循基尔霍夫电压、电流定律推导出电路方程，对电路方程采用牛顿迭代法进行求解，所要求解的未知量为电路中PIN二极管两端电压；在给定PIN二极管试探电压的情况下，电路中PIN二极管的电流和温度采用第二步和第三步中的物理模型求解得到，所求得的PIN二极管电流代入电路方程进行下一步牛顿迭代；第五步，不断重复第二、三、四步，直到求得的PIN二极管两端电压满足收敛精度，此时求得的电压即为限幅电路中PIN二极管两端真实电压；同时得到PIN管内部的载流子浓度、、电势和温度的分布；第六步，对PIN限幅器电路加上一个高功率脉冲，通过第五步所述的求解过程求得电路中PIN二极管两端电压、电流以及PIN二极管中的温度分布。...
【技术特征摘要】
1.一种高功率电磁脉冲作用下PIN限幅器电热一体化分析方法，其特征在于包括以下步骤：
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、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代入热传导方程，计算得到PIN二极管内部温度分布；
第四步，对于PIN限幅器电路，遵循基尔霍夫电压、电流定律推导出电路方程，对电路方程采用牛顿迭代法进行求解，所要求解的未知量为电路中PIN二极管两端电压；在给定PIN二极管试探电压的情况下，电路中PIN二极管的电...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁大志，陈如山，樊振宏，包华广，盛亦军，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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