高功率脉冲对场效应管放大器性能影响的数值分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微波有源电路的数值模拟技术，特别是一种高功率微波对半导体有源 电路的影响分析的数值模拟方法。
【背景技术】
[0002] 随着信息时代的到来和微电子技术的迅猛发展，微电子设备获得了空前宽泛的 应用。电磁脉冲（EMP)是一种电磁冲击波。从时域波形看，一般具有陡峭的前沿，宽度较 窄；从频域看，则覆盖了较宽的频带。高功率电磁脉冲峰值场强极高，上升时间极短，其能 量之大，作用范围之广，是其它电磁脉冲所无法比拟的，因而对各种军用和民用的电子、电 气设备与系统构成的威胁更为严重。因此，研究电磁脉冲对微电子设备的效应，保障各种 军用或民用的电子信息系统在战时的安全运行都具有非常重要的意义。这些广泛的应用 迫使学者们提出了一系列的数值模拟计算方法，其中有限差分方法和基于微分方程的有限 兀法（J. J. H. Miller, An Introduction to the Numerical Analysis of Semiconductor Devices and Integrated Circuits, Boole Press, Dublin, Ireland, 1981)得到了广泛的应 用。
[0003] 现代的放大器大多采用晶体管、场效应晶体管，在实际应用中，除了直流源和射 频信号源引入的功率对器件产生影响外，外加高功率电磁脉冲辐射对器件性能的影响也 非常显著。在这些高功率电磁脉冲作用过程中，辐射进入器件内部的电磁波与电子作用， 使得器件的介电常数、电导率和电子迁移率都不断变化，可以在很短时间内提升器件内部 温度，使得器件性能和可靠性降低，甚至导致器件快速失效。在高功率电磁脉冲的作用下， 场效应管内部的特性变化对场效应管放大器的性能好坏的起着关键的作用。在场效应管放 大器等平面微波集成电路的仿真设计领域，现行主要方法有：第一种采用等效电路模型来 替代真实的微带线和各类集总元件，进行原理级微波电路的仿真。第二种是对输入输出电 路使用场分析模型进行精确的数值仿真，同时将网络中的各种有源、无源器件以等效电路 模型的方式代入，合同仿真，即所谓的"场-电路耦合算法"。近年来，国内外有不少专家学 者已经尝试将集总元件的等效电路模型仿真与FDTD和FETD算法仿真相结合，并且取得了 丰硕的成果。但是，在分析微波放大器件常用的等效电路方法中，器件被等效为两根理想 无损耗传输线之间的各种集总原件的组合，这种方法的缺点在于：第一，电磁波在传输线 上的传播被假设为准横电磁波模式；第二，半导体器件活动粒子与电磁波的作用完全被忽 略。基于此，使用器件的物理模型进行仿真，引入半导体和电磁场全局模型，模拟整个器件 内部电磁场与活动粒子的作用过程是极其必要的。
[0004] 在分析微波放大器件常用的数值模拟方法主要有有限差分法和有限元法，有限差 分法格式简洁，但不适合处理边界复杂的问题。有限元方法能自动满足介质间断条件和第 三类边界条件，而且适合处理边界复杂问题。作为有限元法的衍生方法，拥有良好时域仿真 特性的时域谱元法成为进行场效应管放大器仿真的有力工具。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种高功率脉冲对场效应管放大器的影响，微波有源器件 电热一体化分析的数值方法，从而实现快速得到器件在高功率脉冲作用下性能变化。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：高功率脉冲对场效应管放大器性能影响的数 值分析方法，步骤如下：
[0007] 第一步，场效应管放大器输入与输出集成电路的建模与分析。应用时域谱兀法分 析场效应管放大器的输入与输出的电路时，假设集总元件的尺寸与谱元法剖分单元的棱边 尺寸可比拟，将集总元件设置在网络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，同时使用波动方程计算电路中电场的分布。
[0008] 第二步，场效应管的建模与分析。建立漂移扩散模型的谱元法的表达式，使用非耦 合方法反复求解泊松方程和电流连续性方程直至电势P收敛到所需要的精度。
[0009] 第三步，场效应管内部的热分布的建模与求解。以场效应管内部各点在一定电压 下产生的焦耳热作为热源，使用时域谱元法离散热传导方程，得到矩阵方程，其质量矩阵为 块对角矩阵，即可快速求解出器件中的热分布。
[0010] 第四步，场效应管放大器的全局仿真。由波动方程求解得到输入与输出端电路中 的电场分布，进而得到场效应管的各个端口的电压分布，由此开始场应管的器件模拟。由场 效应管模拟得到场效应管内部的电流密度与电场的分布，计算出场效应管内部的热分布， 以及在当前电压下的各个电极的电流输出情况。将这个电流重新导入到波动方程中，用于 计算下一个时间步的电路中的电场分布。
[0011] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)在对输入与输出电路进行场分析的基 础上，对其中场效应管等有源器件进行器件模拟，相比使用器件的等效电路模拟，可以精确 的模拟器件内部的电子、电势等的变化。（2)在电特性参数求解的基础上，对器件内部的热 特性进行求解，在高功率脉冲的作用下器件内部的热变化一目了然。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明场效应管放大器的输入与输出电路建模示意图。
[0013] 图2是本发明场效应管截面的二维示意图。
[0014] 图3是本发明场效应管放大器的全局仿真流程图。
【具体实施方式】
[0015] 本发明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，步骤如下：
[0016] 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 来表不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，应用时域谱兀法对场效 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50 Ω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
【主权项】
1. 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 不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，应用时域谱兀法对场效应管 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