PIN 제한기 다이오드의 마이크로파 펄스에 의해 유발된 열 연소 효과에 대한 구조의 영향

Jun 04, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 3230(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 제한기는 누설 전력 자체와 인접 고전력 주입으로부터 민감한 부품을 보호하는 데 널리 사용됩니다. PIN 리미터의 핵심인 PIN 다이오드는 외부 마이크로파 펄스에 의해 소진될 수 있습니다. 여기서는 자체 설계한 반도체 다중물리 효과를 위한 병렬 컴퓨팅 프로그램을 사용하여 I층의 두께와 PIN 다이오드의 양극 직경이 PIN 다이오드 리미터의 최대 온도 변화 곡선에 미치는 영향을 연구했습니다. 수치 시뮬레이션의 손상 임계값 기준은 먼저 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 연구되었습니다. 그런 다음 PIN 리미터 다이오드의 마이크로파 펄스에 의해 유발된 열 연소 효과에 대한 구조의 영향을 결정했습니다.

레이더 시스템의 프런트 엔드에서 PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 리미터는 후방 감지 장치를 누설 전력 자체와 인접 고전력 주입으로부터 보호하는 가장 중요한 모듈 중 하나입니다1,2,3. 그러나 펄스 전력 기술의 발전과 레이더의 광범위한 사용으로 인해 레이더 시스템이 직면하는 전자기 환경은 점점 더 복잡해지고 있습니다. 외부 마이크로파 펄스는 안테나를 통해 전자 시스템에 결합되어 PIN 제한기를 더욱 손상시킬 수 있습니다3,4,5.

PIN 리미터의 핵심인 PIN 다이오드는 주입된 마이크로파 펄스에 의해 소진될 수 있는 민감한 반도체 장치입니다. PIN 다이오드의 소손은 무선 주파수 프런트 엔드 또는 심지어 전체 전자 시스템6,7의 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 PIN 리미터에 대한 마이크로파 펄스의 손상 영향에 대한 많은 연구가 수행되었습니다. 접합 소진, 금속화 소진 및 열적 2차 파괴는 PIN 다이오드의 마이크로파 펄스에 의한 소진 효과의 주요 원인으로 나타납니다8,9,10,11. 그러나 구조, 특히 I층 두께와 PIN 다이오드의 양극 직경이 마이크로파 펄스에 의해 유발된 열 연소 효과에 미치는 영향에 대한 문헌은 거의 보고되지 않았습니다.

본 연구에서는 반도체 다중물리 효과를 위한 병렬 컴퓨팅 프로그램인 JEMS-CDS Device를 이용하여 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 비교를 통해 수치 시뮬레이션에서의 Damage Threshold 기준을 연구하였다. 그리고 시뮬레이션을 통해 PIN 제한 다이오드의 구조가 마이크로파 펄스에 의한 열 연소 효과에 미치는 영향을 확인했습니다.

일반적인 PIN 제한기에는 단일 또는 다단계 PIN 다이오드가 포함됩니다. I 층 두께와 PIN 다이오드의 양극 직경을 제외한 다른 PIN 다이오드 및 복잡한 주변 회로와 같은 다른 요인의 간섭을 제거하기 위해 그림 1에 표시된 구조의 단일 스테이지 리미터가 선택됩니다. 연구의 대상. 일반적인 단일 PIN 다이오드 제한기는 PIN 다이오드 1개, DC(직류) 블록 커패시터 2개, 병렬 인덕터 1개로 구성됩니다. 병렬 인덕터의 인덕턴스는 40nH이고, 이 작업에서 DC 블록 커패시터는 모두 30pF이며, PIN 다이오드는 Skyworks12에서 제조한 모델 CLA 시리즈입니다. 재료가 실리콘인 모델 CLA 시리즈 PIN 다이오드의 구조는 그림 2에 나와 있습니다. PIN 다이오드는 주로 두꺼운 기판과 그 위에 실장된 P+, I 및 N+라는 세 개의 레이어로 구성됩니다.

연구에 사용된 단일 스테이지 PIN 다이오드 리미터의 구조.

모델 CLA 시리즈 PIN 다이오드의 구조. (a) 평면도 (b) 측면도.

우리의 수치적 방법론에서는 드리프트-확산 모델13을 기반으로 한 일련의 반도체 방정식을 먼저 풀어 PIN 다이오드에 대한 과도 열원 분포를 얻습니다. 드리프트-확산 모델에는 다음 방정식이 포함됩니다.