PINリミッターダイオードのマイクロ波パルスによって引き起こされる熱バーンアウト効果に対する構造の影響

May 24, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 3230 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

正 - 固有 - 負 (PIN) リミッターは、漏洩電力自体や隣接する高電力注入から敏感なコンポーネントを保護するために広く使用されています。 PIN リミッターの核となる PIN ダイオードは、外部マイクロ波パルスによって焼損する可能性があります。 ここでは、独自に設計した半導体マルチフィジックス効果の並列計算プログラムを用いて、PIN ダイオードの I 層の厚さと PIN ダイオードのアノード径が PIN ダイオードリミッタの最大温度変化曲線に及ぼす影響を調査しました。 数値シミュレーションにおける損傷閾値基準は、実験結果とシミュレーション結果を比較することによって最初に研究されました。 次に、PIN リミッター ダイオードのマイクロ波パルスによって誘発される熱バーンアウト効果に対する構造の影響を調べました。

レーダー システムのフロントエンドでは、Positive-Intrinsic-Negative (PIN) リミッターは、後方に敏感なデバイスを漏洩電力自体や隣接する高電力注入から保護する最も重要なモジュールの 1 つです1、2、3。 しかし、パルスパワー技術の発展やレーダーの普及に伴い、レーダーシステムが直面する電磁環境はますます複雑になってきています。 外部のマイクロ波パルスがアンテナを介して電子システムに結合し、PIN リミッターにさらに損傷を与える可能性があります 3、4、5。

PIN リミッターの核となる PIN ダイオードは敏感な半導体デバイスであり、注入されたマイクロ波パルスによって焼損する可能性があります。 PIN ダイオードの焼損は、無線周波数フロントエンド、さらには電子システム全体の故障につながる可能性があります6、7。 したがって、PINリミッターに対するマイクロ波パルスの損傷影響について多くの研究が行われてきました。 接合焼損、メタライゼーション焼損、および熱二次破壊が、PIN ダイオードのマイクロ波パルスによる焼損効果の主な原因であることが示されています 8、9、10、11。 しかし、構造、特に PIN ダイオードの I 層の厚さとアノード直径が、マイクロ波パルスによって引き起こされる熱バーンアウト効果に及ぼす影響に関する文献はほとんど報告されていません。

本研究では、半導体マルチフィジックス効果の並列計算プログラムであるJEMS-CDSデバイスを用いて、実験結果とシミュレーション結果を比較することにより、数値シミュレーションにおける損傷閾値基準を検討しました。 そして、マイクロ波パルスによる熱バーンアウト効果に対するPIN制限ダイオードの構造の影響をシミュレーションにより求めました。

一般的な PIN リミッターには、単段または多段の PIN ダイオードが含まれます。 他のPINダイオードや複雑な周辺回路など、PINダイオードのI層の厚さとアノード直径以外の要因からの干渉を排除するために、図1に構造を示す単段リミッタが選択されます。研究の目標。 一般的なシングル PIN ダイオード リミッタは、1 つの PIN ダイオード、2 つの直流 (DC) ブロック コンデンサ、および 1 つの並列インダクタで構成されます。 並列インダクタのインダクタンスは 40 nH、DC ブロック コンデンサはこの作品ではすべて 30 pF、PIN ダイオードは Skyworks12 製モデル CLA シリーズです。 シリコンを材料としたモデルCLAシリーズPINダイオードの構造を図2に示します。PINダイオードは主に厚い基板とその上に実装されたP+、I、N+という3つの層で構成されています。

研究で使用された単段 PIN ダイオード リミッターの構造。

CLAシリーズPINダイオードの構造。 (a) 上面図 (b) 側面図。

我々の数値手法では、ドリフト拡散モデル13に基づく一連の半導体方程式を最初に解き、PINダイオード上の過渡熱源分布を取得します。ドリフト拡散モデルには次の方程式が含まれます。