高功率脉冲对场效应管放大器性能影响的数值分析方法

摘要

本发明公开了一种高功率脉冲对场效应管放大器性能影响的数值分析方法。通过对输入与输出的集成电路使用波动方程进行场分析，而场效应管则通过建立三维的泊松方程和电流连续性方程进行器件模拟，对由泊松方程形成的非线性方程组使用牛顿迭代法求解，求解出在高功率脉冲的作用下场效应管内部的电势分布、电子浓度分布，通过引入热传导方程进而得到器件内部的热分布，由此完成整个器件的仿真。本发明可以准确得到在不同高功率脉冲作用下的场效应管放大器的增益与噪声系数等性能参数，对场效应管在高功率脉冲下器件性能与可靠性的降低甚至快速失效的变化过程可进行一个详细的模拟仿真。

主权项

一种高功率脉冲对场效应管放大器性能影响的数值分析方法，其特征在于步骤如下： 第一步，场效应管放大器中输入与输出集成电路的建模与分析；建立输入与输出集成电路的仿真模型，该模型由微带线网路和各种不同的集总元件组成，建立一条微带线来表示场效应管放大器中的输入与输出集成电路的信号传输路径，应用时域谱元法对场效应管放大器的输入与输出电路进行分析，使用曲六面体对其进行剖分；设集总元件的尺寸与时域谱元法剖分单元的棱边尺寸可比拟，将集总元件设置在网路中相应单元的棱边上，在一条或若干条单元棱边上赋于集总元件的特性；在微带线的两端的棱边上设置50Ω的电阻对微带线进行匹配，并引入一阶阻抗边界条件作为吸收边界；将集总元件以电流形式引入，类比在电磁场波动方程中增加集总电流J_T来表征集总元件的贡献，得到电磁场波动方程公式，即 其中，E为电场分布,ε、μ分别为媒质的介电常数与磁导率，t为过程进行的时间；对(1)式作迦辽金变换，得到其弱解形式；将其弱解形式按时间中心差分格式展开，得到在每个时间步电场的显式迭代格式； 第二步，场效应管放大器中场效应管的建模与仿真；建立场效应管的三维器件模型，该模型中在沿沟道宽度方向上是均匀的，即其在沿沟道宽度方向上的各个截面上的电势、电场及其它参数分布是相同的，使用漂移‑扩散模型对场效应管放大器中的核心器件为场效应管进行器件模拟，将模型方程中各个物理量除以适当的比例系数进行归一化，则归一化的器件稳态方程为由泊松方程 和电子与空穴电流连续性方程 组成，其中为电势，为电子的费米势的指数形式，为空穴的费米势的指数形式，N为掺杂浓度，μ_n与μ_p的电子与空穴的迁移率；在金属电极上使用欧姆接触边界条件，其它边界使用浮置边界条件；建立泊松方程和电子电流连续性方程的谱元法表达式；使用非耦合方法求解泊松方程与电流连续性方程；第三步，场效应管放大器中场效应管在高功率脉冲作用下温度分析；首先，引入热传导方程，在场效应管内部任意点(x,y,z)处，t时刻热量传输满足导热偏微分方程，即热传导方程HTE，将热传导方程简化为， 式中，T为物体的瞬态温度；t为过程进行的时间；k_t为材料的导热系数；P_d为内部热源的功率密度；其次，不考虑空穴与电子重组过程中的热交换，内部热源的功率密度P_d只包含空穴和电子流动产生的经典的焦耳热；结合第三类边界条件，建立基于时域谱元法的热模型方程及其差离散格式；求解矩阵方程，得到场效应管内部各点的各时刻的温度； 第四步，场效应管放大器的全局仿真；输入输出电路与场效应管分开建模，模型相互独立；将波动方程、漂移‑扩散模型以及热传导方程耦合起来对场效应管放大器进行全局仿真，其中波动方程与场效应管的漂移‑扩散模型使用电流进行耦合，场效应管内部的功率密度作为热传导方程中的热源，而根据热传导方程计算出的温度分布则对漂移‑扩散中的迁移率进行更新。