Impacto da estrutura no efeito de burnout térmico induzido por pulsos de micro-ondas de diodos limitadores PIN

May 24, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 3230 (2022) Citar este artigo

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Limitadores positivos-intrínsecos-negativos (PIN) são amplamente utilizados para proteger componentes sensíveis contra vazamento de energia e injeção adjacente de alta potência. Sendo o núcleo de um limitador PIN, o diodo PIN pode ser queimado pelos pulsos de microondas externos. Aqui, usando um programa de computação paralela para efeitos multifísicos de semicondutores projetado por nós mesmos, estudamos a influência da espessura da camada I e do diâmetro do ânodo do diodo PIN na curva de mudança máxima de temperatura do limitador do diodo PIN. O critério de limite de dano na simulação numérica foi estudado pela primeira vez comparando resultados experimentais com resultados de simulação. Em seguida, determinamos o impacto da estrutura no efeito de desgaste térmico induzido por pulsos de micro-ondas de diodos limitadores PIN.

No front-end de um sistema de radar, o limitador positivo-intrínseco-negativo (PIN) é um dos módulos mais importantes para proteger os dispositivos sensíveis traseiros contra vazamento de energia e injeção adjacente de alta potência . No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia de potência de pulso e o uso generalizado do radar, o ambiente eletromagnético enfrentado pelos sistemas de radar está se tornando cada vez mais complicado. Pulsos de micro-ondas externos podem acoplar-se aos sistemas eletrônicos através da antena e danificar ainda mais o limitador PIN3,4,5.

Sendo o núcleo de um limitador PIN, o diodo PIN é um dispositivo semicondutor sensível, que pode ser queimado pelos pulsos de microondas injetados. A queima do diodo PIN pode levar à falha do front-end de radiofrequência ou mesmo de todo o sistema eletrônico6,7. Assim, muitos estudos foram realizados sobre os efeitos dos danos do pulso de micro-ondas para o limitador PIN. A queima da junção, a queima da metalização e a segunda ruptura térmica são apontadas como as principais causas do efeito de queima por pulsos de micro-ondas dos diodos PIN8,9,10,11. No entanto, poucas literaturas sobre o impacto da estrutura, especialmente a espessura da camada I e o diâmetro do ânodo do diodo PIN, no efeito de queima térmica induzido por pulsos de micro-ondas foram relatadas.

Neste trabalho, utilizando o dispositivo JEMS-CDS, um programa de computação paralela para efeitos multifísicos de semicondutores, estudamos o critério de limite de dano em simulação numérica através da comparação de resultados experimentais e resultados de simulação. E então, determinamos a influência da estrutura do diodo limitador PIN no efeito de desgaste térmico causado pelo pulso de micro-ondas por meio de simulação.

Um limitador PIN típico inclui diodos PIN de um ou vários estágios. Para eliminar as interferências de outros fatores, exceto a espessura da camada I e o diâmetro do ânodo do diodo PIN, como outros diodos PIN e circuitos periféricos complexos, um limitador de estágio único, cuja estrutura é mostrada na Fig. alvo do estudo. O limitador de diodo PIN único típico consiste em um diodo PIN, dois capacitores de bloco de corrente contínua (CC) e um indutor paralelo. A indutância do indutor paralelo é de 40 nH, os capacitores do bloco DC são todos de 30 pF neste trabalho e os diodos PIN são modelo da série CLA fabricados pela Skyworks12. A estrutura dos diodos PIN da série CLA, cujo material é o silício, é mostrada na Fig. 2. O diodo PIN consiste principalmente em um substrato espesso e três camadas denominadas P+, I e N+ montadas nele.

Estrutura do limitador de diodo PIN de estágio único utilizado no estudo.

Estrutura do diodo PIN da série CLA. (a) Vista superior (b) Vista lateral.

Em nossa metodologia numérica, um conjunto de equações de semicondutores baseadas no modelo de deriva-difusão são inicialmente resolvidos de modo a obter a distribuição transitória da fonte de calor sobre o diodo PIN. O modelo de deriva-difusão inclui as seguintes equações.