[发明专利]分析含半导体微波电路电热特性的高效时域方法

说明书

本发明公开了一种分析含半导体微波电路电热特性的高效时域方法。该方法首先利用共形时域有限差分法求解线性电磁场结构，通过计算线性场‑路耦合矩阵方程，在电磁场结构中的场‑路连接位置处加载边界条件，通过计算线性场‑路耦合矩阵方程，提取线性的电磁结构的时域冲击响应信号；将提取的时域冲击响应信号与非线性半导体器件耦合计算得到该非线性场‑路耦合系统端口位置处的时域信息；接下来通过时域谱元法对基于物理模型的半导体微波电路进行电热耦合效应分析，将漂移扩散方程组和热传导方程进行耦合求解。使用本发明的方法能够处理更为复杂的微波电路，提高了非线性微波电路的计算效率。

技术领域

本发明涉及半导体物理模型的微波电路技术领域，具体是一种分析含半导体微波电路电热特性的高效时域方法。

背景技术

现如今，电磁仿真技术在电子设备的性能的评估以及设计中至关重要。电磁仿真技术的核心主要是对经典的麦克斯韦方程组进行数值求解，麦克斯韦方程组描述了电场和磁场之间的耦合规律。大部分的电磁仿真技术的研究都侧重于不同的电磁场数值计算方法在计算的精度以及效率上进行的改进和提高。随着计算机技术的迅速进步，各种电磁场的数值计算方法在分析实际问题的能力方面也得到了快速的发展。

时域有限差分方法是将时间和空间上微分形式的麦克斯韦方程组直接转化成差分形式的求解方程，可以直接采用蛙跳迭代格式进行迭代求解，无需填充关于未知量电场和磁场的矩阵信息，大大的节省了计算的内存以及时间。CFDTD可以对一些网格进行共形处理，可以处理任意几何形状的介质目标。但时域有限差分法方法求解过程中存在色散误差以及对于曲面电磁结构需要阶梯近似，导致其精度严重下降，限制它对复杂几何结构分析的能力。

时域谱元方法使用一种高阶正交基函数，由于基函数的正交性，得到的矩阵方程中的质量矩阵是块对角特性。因此很容易进行LU分解或者直接求逆的操作，导致计算过程效率的提高。同时时域谱元法具有高阶的谱精度，数值计算结果精准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分析含半导体微波电路电热特性的高效时域方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种分析含半导体微波电路电热特性的高效时域方法，步骤如下：

第一步，利用共形时域有限差分法CFDTD对含半导体微波电路中的线性电磁场结构建立求解模型，采用四面体对模型进行剖分，得到模型的结构信息，包括四面体的单元信息及节点信息；建立非线性电路部分的求解模型，并采用曲六面体对模型进行剖分，得到模型的结构信息，包括六面体的单元信息及节点信息；

第二步，从麦克斯韦方程方程组出发，利用共形时域有限差分的原理，分析吸收边界条件和稳定性条件，通过时域分割法对微波电路中线性电磁结构进行全波分析，将多端口电路分割为若干独立的部分，在各端口添加时域冲击响应，进而求解得每个端口的时域信息；

第三步，利用得到的时域冲击响应信号，将每个端口连接的电路结构耦合起来，得到耦合的电压和电流的信息，再联立含非线性半导体部分的电路，得到非线性的系统矩阵方程；非线性半导体部分利用时域谱元法求解载流子浓度以及电势，将所要求解的载流子浓度以及电势在各节点上展开，采用伽辽金法测试将漂移扩散方程组和热传导方程进行耦合求解，求解牛顿迭代的初值和半导体边界处的边界条件，得到半导体内部的载流子和电势的分布，最终得到微波半导体电路结构中的瞬态电流分布，完成仿真过程。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)通过时域分割法的思想结合共形时域有限差分法和时域谱元法可以处理更为复杂的微波电路。(2)微波半导体电路的物理特性方程是从半导体漂移-扩散方程组出发，将所要求解的载流子浓度以及电势在各节点上展开，对方程采用伽辽金法测试，利用牛顿迭代法求解得到各节点的载流子以及电势分布，相比于等效电路模型更能准确的分析PIN管的物理过程，同时可以进一步进行微波电路的电热一体化分析。(3)将线性电磁结构和半导体部分分开计算可以节省内存，降低牛顿迭代过程的计算复杂度，大大节省计算时间，提高了基于半导体物理模型的微波电路计算效率。.

附图说明