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HEMT器件电磁脉冲毁伤机理仿真分析及试验研究
摘要
电磁脉冲（EMP）是一种强大的电磁辐射，它可能对电路和器件造成严重的毁伤。高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是一种常见的高频功率放大器，也是EMP影响下的脆弱部件之一。本文通过建立HEMT器件的物理数学模型，对EMP对其内部结构的电场、电压和电荷密度的影响进行了仿真分析，并设计了相应的实验验证。实验结果表明，EMP会导致HEMT器件的极化电容和电感通有电流波动，同时还会在门极和源极之间形成暂态电压，这些现象导致HEMT器件失效。
关键词：高电子迁移率晶体管，电磁脉冲，毁伤机理，仿真分析，试验研究
Introduction
电磁脉冲（EMP）是APSD（高空爆炸装置）引发的电磁辐射产生的强大电磁波。EMP的能量大到足以对电路和器件造成严重的毁伤。高电子迁移率晶体管（HEMT）器件是一种常见的高频功率放大器，也是EMP影响下的脆弱部件之一。因此，研究HEMT器件在EMP下的响应规律和毁伤机理对于提高EMP抗干扰能力具有重要意义。
当前，研究HEMT器件对EMP的响应主要是通过仿真分析和试验研究。许多学者采用了仿真工具如Ansys、FEKO等对HEMT器件进行了非线性仿真分析，研究EMP对HEMT器件的电场、电压和电荷密度的影响规律。Shao.[1]等人以HEMT器件的非稳态行为为研究对象，建立了数学模型来描述器件在EMP场下的响应情况，并进行了相关的仿真分析。同时，多数研究的脆弱器件与电路的试验验证，如Liu.[2]等人针对不同工作状态下的HEMT器件，在EMP下进行了相关的实验研究。结果表明，HEMT器件的阈值电压、饱和电流、高频性能和放大增益等参数都受到了不同程度的影响。
本文对以上研究基础上，建立了HEMT器件的物理数学模型，对EMP对其内部结构的电场、电压和电荷密度的影响进行了仿真分析，并设计了相应的实验验证。通过对实验结果的分析，本文阐述了HEMT器件在EMP场下的响应规律和毁伤机理，为提高EMP抗干扰能力提供了理论基础和实验依据。
1.理论模型
在HEMT器件中，包括砷化镓和氮化镓两种材料，其中砷化镓是高电子迁移率的半导体材料。在HEMT器件的电流通路中，源极和漏极之间存在着栅极，而栅极又通过金属引线与端子相连。当EMP冲击波通过引线进入器件后，电场会在器件内部产生分布，包括源极周围的可变电容和源极和栅极之间的漏电感。
为了对EMP作用下的HEMT器件的响应进行模拟，本文建立了相应的物理数学模型。我们采用了ANSYS软件，并在其中建立了HEMT器件的三维模型。模型中包括了源极、漏极、栅极及电源和负载等元器件。同时，还建立了器件的物理场、电磁场和电路等成分，并使用了基于有限元法的求解器对模型进行仿真分析。具体来讲，我们考虑了以下几种现象：
（1）栅极和漏极之间形成的暂态电压。在EMP冲击波作用下，栅极和漏极之间会产生瞬时的电位差。这种电势差可能导致HEMT器件失效，因此需要对其进行分析和建模。
（2）内部电场的变化和漏电感的变化。这是EMP冲击波在HEMT器件内部产生的电场分布和电感变化。通常情况下，电荷集中在较小的区域内会成为能量的主要载体。如果这些电荷不得不通过电传导来进行，就会产生大量的电场和电荷密度变化。
（3）静电和电磁耦合效应。这是EMP冲击波作用下的HEMT器件中涉及到的动态效应和静态效应。在动态效应中，静电和电磁效应之间会产生相互作用，导致HEMT器件的电容发生变化。在静态效应中，由于电子的崩溃和失速效应，电磁场中的能量会被转化为热能，从而对器件产生影响。
2.仿真分析
基于以上物理数学模型，我们进行了针对HEMT器件的EMP仿真分析。具体来讲，我们分别对器件内部电场、电压和电荷密度等进行了仿真分析，得出了以下结论。
（1）EMP会引起HEMT器件的极化电容和电感通有电流波动。在模拟器件中，我们发现当EMP冲击波作用后，HEMT器件极化电容和电感通将产生波动。这会导致输出功率和增益下降，性能下滑。
（2）EMP会在门极和源极之间形成暂态电压。这是EMP冲击波作用下最主要的影响因素之一。由于EMP的作用，源极和栅极之间的激励电压产生了瞬时的峰值电压，这随后会引发大量的电流波动、器件电路的临界电压变化等。
（3）HEMT器件的电荷密度会随着EMP的作用发生变化。由于EMP的作用，HEMT器件的电荷密度也会随之变化，表现为极化的电子和空穴浓度异常高或异常低，从而影响器件的高频性能和功率放大器的总功率输出。
3.实验验证
为了验证上述仿真分析的结果，我们在实验室中设计和制造了相应的HEMT器件测试平台，以模拟EMP的作用。在三维环境中，比较典型的三种经典应用场景是：（1）平行板振荡，(2)强场放电，(3)均匀波向外辐射。这里我们采用均匀波向外辐射的方式对HEM