波导内置硅块对高功率太赫兹脉冲的响应.pdf

第 2 5卷第 2期 2 0 1 3年 2月 强 激 光 与 粒 子 束 HI GH POW ER LAS E R AND P ARTI CLE BEAM S Vo 1 2 5。No 2 Fe b，2 0 1 3 文章 编号：l O O l 一 4 3 2 2(2 0 1 3)o 2 0 4 5 5 0 6 波导 内置硅块对 高功率太赫 兹脉 冲的响应 王雪锋。，王建国 。，王光强 ，童长江 ，李 爽 ，李 勇 (1 话北核技术研究所，西安 7 1 0 0 2 4；2 解放军 6 3 6 5 5部队，乌鲁木齐 8 4 1 7 0 0；3 西安交通大学 电子 与信 0,I程学 院，西安 7 1 0 0 4 9)摘 要：利用三 维电磁场时域有限差分法，对 0 3 O 4 T Hz 高功率太赫兹脉 冲作 用下置于矩形 波导 内 部宽边 中心的 n型硅块响应规律进行 了研究。通过 对置人硅块前 后矩形 波导 内电磁场 分布、电压驻波 比及 硅 块 内平均 电场的模 拟分析，得 出硅块几何尺寸和 电阻率对上述物理量 的响应规律，硅块长、宽、高和电阻率均会 对波导 内电压 驻波系数产生影响，其中 以高度影 响最为 明显；硅块 内平均 电场在低频 段和 高频段单 调性不 一 致。最后，在优化硅块长、宽、高及 电阻率 的基 础上，给 出了一种可用 于该频 段高功率 太赫兹脉冲直接测 量的 电 阻探测器 芯片设计方案，其 相对 灵敏度约为 0 5 0 9 k w_。，幅度 波动 不超 过 1 4 ，电压驻波 比不大 于 1 3 4。关键 词：高功率；太赫兹；矩形 波导；电阻探测器；测量 中图分类 号：O4 4 1 6；O4 7 3 文献标志码：A d o i：1 0 3 7 8 8 HP L P B 2 O l 3 2 5 O 2 0 4 5 5 太赫兹波是频率位于 0 1 1 0 T Hz之间的电磁 波，随着近年来源和测量技术 的快速发展，得 到广泛应 用_ 1 。相对于当前应用最多的低功率太赫兹源，高功率脉冲源则因其功率高和传播远等特点越来越受到通信 和雷达等领域的关注，如 自由电子激光器、回旋管和相对论切伦科夫器件等 。由于高功率太赫兹脉冲具有峰 值功率高(通常在 1 Mw 以上)和脉冲时间短(通常为 n s级甚至更短)的特点，对其功率(尤其是峰值功率)实 现准确测量是一个很困难的问题。目前，高功率太赫兹脉冲功率测量主要有量热法和二极管检波法瞳 。量热 法依据待测脉冲的能量积累实现功率测量，对于非矩形脉冲和高功率低能量脉冲测量存在局限性；二极管检波 法将衰减后的高功率脉冲转换为直流信号进行测量，因二极管承受功率限制而引入的大衰减对测量结果精度 和测量系统复杂程度均有一定影响 3 。在 0 3 0 4 THz这一典型 的大气窗 口，克服现有高功率太赫兹脉冲 测量方法不足并开展新测量技术研究，对高功率太赫兹技术进一步发展具有重要推动意义。硅块对高功率太 赫兹脉冲作用的响应规律研究结果将应用于一种探测器设计，这种探测器在微波波段被称为电阻探测器口 ，依 据强电场作用下半导体内热载流子效应引起 的半导体电阻变化原理实现功率测量。这种探测器 目前已成功应 用于微波波段L 4 ，并在 w 及 D波段展开了相应研究 6 ，但在更高频段的研究在国内外则 尚未展开。与二极 管检波器相 比，它具有可直接测量高功率脉冲而无需引入大衰减，能较大地提高测量精度的优势。本文在研究 矩形波导内置 n型硅块对 0 3 0 4 THz 高功率脉冲作用响应 的基础上，设计 出一种可直接用于该类信号测 量的电阻探测器芯片设计方案，并给出了基本工作参数。1 研 究模 型和方法 1 1研 究模 型 高功率太赫兹脉冲作用下，12 型硅块中电子从 电场 中获得很大能量，速度大于热平衡时的速度，平均 自由 时间减小，迁移率降低，引起硅块 电阻变化，这一现象称 为热载流子效应L 9 。电阻探测器以测量硅块这种电阻 变化为手段实现功率测量，其主要指标有工作频段、电压驻波比(VS WR)和相对灵敏度等。在 0 3 0 4 THz 频段开展的 n型硅块响应研究模型，即为一种 电阻探测器。图 1为 n型硅块响应研究模型整体结构，n型硅块(即探测器探测芯片)置于矩形波导宽边中心，为矩 形波导长度，口和b分别为矩形波导内横截面的边长和边宽，z，2 和 h分别为探测芯片长、宽和高。考虑到研 究频段和矩形波导单模传输条件】，选取的矩形波导型号为 WR2 8，内横截面 0 7 1 1 2 mm0 3 5 5 6 mm。探测芯片横截面如图 2所示，两个硅块独立，中间为窄缝，顶部以金属薄层短路，底部一端与波导壁短路，另一*收稿 日期：2 0 1 2 0 9 1 8；修订 日期：2 0 1 2 1 1 _ O 6 基 金项 目：国家 自然科学基金重点项 目(6 1 2 3 1 0 0 3)作 者简 介：王雪锋(1 9 7 9 一)，男，博 士研究生，工程师，主要从事微波、太赫兹波的产生与测量研 究；7 0 0 9 7 2 5 q q c o m。4 5 6 强 激 光 与 粒 子 束 第 2 5卷 端与波导壁绝缘并通过同轴线与外界相连，用于提供 电源和测量信号输出。l a y e r F i g 1 La y o u t o f s e n s o r mo d e l F i g 2 Cr o s s s e c t i o n o f s e n s i n g e l e me n t 图 1 探测器模型整体结构 图 2 探测芯 片横截面 根 据热 载流子 效应 机理，探测 芯片 电阻相对 变化 率 A R R在数 值上 表征 了通过 波导 的太 赫兹脉 冲功率 P，即 A R R越大，P越 大，定 义探测 器相 对灵 敏度为 R R，一一_P 一 理想探测器相对灵敏度 在工作频段内应恒为常数。在探测器实际设计 中，需要寻找满足相对灵敏度接近常 数(即幅度波动较小)的探测芯片几何尺寸和电阻率等参数。根据 对 n型硅 热载 流子效 应规 律 的描述，A R R与作 用在 半导体 上 的 电场 场强 E 之 间的关 系为 A R R一(r 干 一 1)2 k：(2)式中：k 为已知常数；()为 n型硅热电子系数；为工作频率。用探测芯片内电场平方 的均值(E。替换式(2)中的 E。，于是，硅块 电阻相对 变化量 可 以展开 为关于 的泰 勒级数 形式，只保 留第一 项，即 A R R一8 (，)厂。，有(厂)一 (厂。)，结合式(6)，定义无量纲参量 叼(_厂)，满足 的影响过程，等效于研究其对(厂)的影响，也即探测器相对灵敏度的优化过程。相对灵敏度作为探测器主要指标之一，对其进行优化的目的在于寻找使得其随频率波动较小(即更接近于 常数)的设 计参 数。优化依 据 同样 为 式(7)，将计算 得 到 的探 测 芯片 内电场平 方 均值(E。经过 数 据处 理后 得 到 模型 叩(厂)曲线，与理想 r (f)曲线进行对 比，选取使得两者差异较小的参数值。由于已选定探测芯片高度参数 h 一0 0 5 mm，这 里 只需 要再 选定探 测 芯片长 度 z、宽度 2 及 半导体 电阻率 p。图 5为频率范 围 0 3 0 4 THz时，模拟计算获得的探测器 刁(厂)曲线与探测芯片 l，2 d及 P之间的关系，丌 Hz (a)fi T H z (b)Fi g 5 De p e n d e nc e o f o n l e ng t h，wi d t h a n d s pe c i f i c r e s is t a n c e o f s i l i c o n b l o c k 图 5 与硅块长、宽和电阻率之间的关 系 2r H z (c)，4 0 、一 ，一 一，一 一 m O I c _ _ _ _ 一 一 一，、e J 1 J 1 1 -O 5 O 5 O 5 0 C ，T m 、一 m 一 2 ，t _ 一 ，一。一 一，_，一如 一，6 一 一 一 第 2 期 王雪锋 等：波导内置硅块对高功率太赫兹脉冲 的响应 4 5 9 的规律，通过比较，z 一0 5 r n l T l 时结果与理想曲线差异较小；r (f)曲线对 2 尺寸也比较敏感，几种不同 2 值 的模拟曲线都在频段内表现为先降后升的规律，相 比之下，2 d=0 4-T i m 时与理想曲线 比较接近；电阻率 lD 对(厂)的影响规律 比较明显，P 越大，模拟结果偏离越大，比照几种结果，D 一0 5 QC lT I 时两者较为接近。这些模拟结果 中，都表现了 刀(_ 厂)在低频段和高频段单调性不一致的规律，也等价于硅块内部电场均值在 低频段和高频段单调性不一致。这主要由于频率较低时传导 电流占主体，而频率较高时位移电流占主体，硅块 对 两种 情 况下 高功 率脉 冲 响应差 别 引起 的 J。进 行探 测 器设计 时，既要 考 虑 上 面得 到 的 z，2 及 p与 r (厂)之 间 的相 互 关 系，又 要 兼 顾 h，z，2 和 P对 VS W R的影 响规 律。根据 上文 的模 拟结 果，为使 相对 灵 敏度 r (f)在 0 3 0 4 THz 之 间波 动较 小，同时兼 顾 vs wR较小的要求，得到一种探测器芯片设计方案，基本参数为：h 一0 0 5 I T l m，2 d 一0 4 mm，z 一0 5 mm 和 0 0 5 nc m。图 6为利用上面确定的参数进行模拟计算后，得到的探测器相对灵敏度曲线和 VS WR曲线。+1 4 =O 5 0 9 -1 4 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 04 0 丌Hz Fig 6 Re l a t i v e s e n s i t i v i t y a nd VSW R o f s e n s or 图 6 探测器相对灵敏度和 VS WR 从图 6可以看 出，在 0 3 0 4 THz范 围内，探测 器相对 灵敏度 约为 0 5 0 9 k W 且 幅度 波动不超 过 1 4 ，VS WR不 大 于 1 3 4，是一 种 比较 理想 的探 测器模 型。4 结 论 从矩形波导 内置的 n型硅块对高功率太赫兹脉 冲作用响应研究人手，模拟了探测芯片在不 同几何尺寸和 物 理参 数条 件 下对 电磁 场作用 的响应 结果，分析 了模 型 参数 对 矩 形 波导 内部 电磁 场 分 布、VS W R和硅 块 内部 平均 电场等响应的影响规律。结果表明，探测芯片长度、宽度、高度和电阻率均对驻波系数有一定影响，其中以 探测芯片高度的影响程度最为显著；硅块 内部平均电场幅度在低频段 和高频段单调性不一致。在此基础上，首 次提出了一种可直接用于大功率太赫兹脉冲测量 的电阻探测器芯片设计方案，其工作频段 0 3 O 4 THz，波 导尺寸横截面 0 7 1 1 2 ml T l 0 3 5 5 6 ml T l，探测芯片材料采用 n型硅，高度 0 0 5 mm，宽度 0 4 mm，长度为 0 5 1 T i m，电阻率 取 0 5 Q c r n。探测 器相 对 灵敏 度 约为 0 5 0 9 k W 一，幅度 波 动不 超 过 1 4 ，驻 波系数 不 大 于 1 3 4。参 考文 献：1 S i e g e l P HTe r a h e r t z t e c h n o l o g y J I E EE T r a n s o n Mi c r o wa v e T h e o r y a n d T e c h n i q u e s，2 0 0 2，5 0(3)：9 1 O-9 2 8 2 B o o s k e J，D o b b s R，J o y e C，e t a i Va c u u m e l e c t r o n i c h i g h p o we r t e r a h e r t z s o u r c e s J I EE E T r a n s o n T e r a h e r t z S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，2 O1 1，l(1)：5 4-7 5 3 3 Da g y s M，Ka n c l e r i s z，S i mn i g k i s R，e t a 1 Th e r e s i s t i v e s e n s o r：a d e v i c e f o r h ig h p o we r mi c r o wa v e p u l s e d me a s u r e me n t s J I EE EAn t e n h a s an d Pr o p a ga t i o n M a g a z i n e，2 0 0l，4 3(5)：6 4 7 9 4 3黄文华，刘静月，范菊平，等新型高功率微波探测器 J 强激光与粒子束，2 0 0 2，1 4(3)：4 4 9 4 5 2 (Hu a n gWe n h u a，L i u J i n g y u e，F a n J u p i n g，e t a 1 Ne w t y p e o f hi g h p o we r mi c r o wa v e d e t e c t o r H i gh Po we r La s e r a n d Pa r t i c l e Be a I n s，2 0 0 2，1 4(3)：4 4 9 4 5 2)5 1 刘 小龙，刘 国治，秋实，等一种新型高功率微波探测器 J 强激光与粒 子束，1 9 9 7，9(4)：5 8 5 5 9 0 (L i u Xi a o l o n g，L i u Gu o z h i，Qi u S h i，e t a 1 A n o v e l h i g h p o we r mi c r owa v e d e t e c t o r H i gh Po we r La s e r a n d Par t i c l e Be a m s，1 9 9 7，9(4)：58 5 5 9 0)2 6 Ka n c l e r i s Z，Ta mo g i fl n a s V，Da g y s M，e t a 1 I n t e r a c t i o n o f a s e mi c o n d u c t o r s a mp l e p a r t l y f i l l i n g a wa v e g u i d e s win d o w wi t h mi l l i me t e r wa v e r a d i a t i o n J I E E Pr o c Mi c r o w An t e n n a s Pr o p a g，2 0 0 5，1 5 2(4)：2 4 0 2 4 4 7 K a n c l e r i s 之，S i mn ig k i s R，D a g y s M，e t a 1 Hi g h p o we r mi l l i me t r e wa v e p u l s e s e n s o r f o r W b a n d J I ETMi c r o w An t e n n a s P r o p a g，2 0 0 7，l(3)：7 5 7-7 6 2 0 O O 0 耋 S 4 6 O 强 激 光 与 粒 子 柬 第 2 5卷 E 8 王光强，王建 国，童长江，等高功率太赫兹脉冲半 导体探测器 的分析 与设计 J 物理学报，2 0 1 1，6 0：0 3 0 7 0 2 (Wa n g Gu a n g q i a n g，Wa n g J i a n g u o，To n g C h a n g j i a n g，e t a 1 A n a l y s i s a n d d e s i g n o f s e mi c o n d u c t o r d e t e c t o r f o r h i g h p o we r t e r a h e r t z p u l s e Ac t a P h y s i c a S i n i c a 2 0 1 1，6 0：0 3 0 7 0 2)E g 刘恩科，朱秉升，罗晋生半导体 物理学 M 7 版。北京：电子工业出版社，2 0 1 1 (L i u E n k e，Z h u B i n g s h e n g，L u o J i n s h e n g T h e p h y s i c s o f s e mi c o n d u c t o r s 7 t h e d B e i j i n g：P u b l i s h i n g Ho u s e o f E l e c t r o n i c s I n d u s t r y，2 0 1 1)E l O 2 张克潜，李德杰微波与光 电子学中的电磁理论 M 2版北京：电子工业 出版社，2 0 0 2 (Z h a n g Ke q i a n，L i De j i e E l e c t r o ma g n e t i c t h e o r y f o r mi c r o wa v e s a n d o p t o e l e c t r o n i e s 2 n d e d B e i j i n g：P u b l i s h i n g Ho u s e o f E l e c t r o n i c s I n d u s t r y，2 0 0 2)王文祥微波工程 技术E M 北京：国防工业出版社，2 0 0 9 (Wa n g We n x i a n g Mi c r o wa v e e n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y B e i j i n g：Na t i o n a l D e f e n s e I nd u s t r y Pr e s s，2 0 09)1 2 1 3 葛德彪，闫玉波电磁波时域有限差分法E M 2版西安：西安 电子科技大学出版社，2 0 0 5 (Ge D e b i a o，Ya h Yu b o Th e f in i t e d i f f e r e n c e t i me d o m a i n me t h o d f o r e l e c t r o ma g n e t i c wa v e s 2 n d e d Xi a n：Xi d i a n Un i v e r s i t y Pu b l i s h i n g Ho us e 2 0 0 5)王弱，王建 国，张殿辉卷积完全匹配层截断 3维金属矩形波导的应用研究 J 强激光 与粒子束，2 0 0 5，1 7(1 0)：l 5 5 7 1 5 6 3 (Wa n gY u e，Wa n g J i a ng u o，Zh a ng Di a n h u i Tr u n c a t i o n o f o p e n b o u n d a r y o f 3 D r e c t a n g u l a r wa v e g u i d e b y CP M LHi g h Po we r La s e r a n d Par t i c l e Be a m s，2 0 0 5，1 7(1 0)：1 5 5 7 1 5 6 3)Re s po n s e s o f s i l i c o n b a r f i x e d i n wa v e g u i d e t o hi g h po we r t e r a h e r t z pu l s e Wa n g Xu e f e n g ，Wa n g J i a n g u o ，Wa n g Gu a n g q i a n g ，To n g Ch a n g j i a n g ，Li S h u a n g ，L i Yo n g (1 No r t h we s t I n s t i t u t e o f Nu c l e a r Te c h n o l o g y，Xi n 7 1 0 0 2 4，Ch i n a；2 6 3 6 5 5 Un i t，PL A，Ur u mq i 8 4 1 7 0 0，C h i n a；3 S c h o o l o f El e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，Xi a n Ji a o t o n g Un i v e r s i t y，Xi a n 7 1 0 0 4 9，Ch i n a)Ab s t r a c t：Re s e a r c h e s o n r e s p o n s e s o f a n n-t y p e s i l i c o n b a r f i x e d i n a r e c t a n g u l a r wa v e g u i d e t o h i g h p o we r t e r a h e r t z p u l s e ha v e b e e n c a r r i e d o ut f o r t he 0 3 0 4 THz b a nd The di s t r i b ut i on o f e l e c t r o m a g ne t i c f i el d c ompo ne n t sv ol t a ge s t a n di ng wa v e r a t i o(VS W R)i n t h e wa v e g u i d e，a n d t h e a v e r a g e e l e c t r i c f i e l d i n t h e n t y p e s i l i c o n b a r i s d e t e r mi n e d b y me a n s o f a t h r e e d i me n s i o n a l f i n i t e d i f f e r e n c e t i me d o ma i n me t h o d B y a d j u s t i n g s e v e r a l f a c t o r s，s u c h a s t h e l e n g t h，wi d t h，h e i g h t a n d t h e s p e c i f i c r e s i s t a n e e o f t h e s i l i c o n b a r，a n o v e l p r o j e c t o f a s e n s o r t h a t c a n b e u s e d a s me a s u r e me n t d e v i c e f o r h i g h p o we r t e r a h e r t z p u l s e d i r e c t l y i s pr e s e nt e dThe r e l a t i v e s e ns i t i vi t y of t he s e ns or i s a bou t 0 5 09 kW ，i t s f l u c t ua t i o n i s i n t he r a n ge of 1 4 。a nd i t s VSW R i S n o mor e t ha n】34 Ke y wo r d s：hi gh p owe r；t e r a he r t z；r e c t a ngu l a r wa v e gu i de；r e s i s t i v e s e n s o r；me a s ur e me nt