高功率微波(HPM)具有峰值功率高(GW量级)、脉宽较短(ns量级)、单脉冲或者脉冲串、其测量环境存在强电磁干扰甚至射线干扰等特点。国内外研制成功了基于P型和N型硅半导体中热载流子效应的高功率微波探测器^[1-6]，该探测器可以直接测量百kW量级的HPM脉冲功率和波形，输出信号幅度在V级，具有承受微波峰值功率高、时间响应快等特点，为解决高功率微波测量不确定度较大、易受强电磁干扰的技术难题提供了一种有效的技术手段。西北核技术研究所研制探测器所使用的两种偏置电源都采用220 V的市电，在外部的同步信号触发后，产生一个约40 V短脉冲偏压^[4]，文献[7]研制了基于直流降压斩波原理和威尔逊恒流源原理的新偏置电源，它可以一直提供给传感器数十mA的恒定电流和最高4 V的初始偏压，不需要外部信号来同步触发。为了提高热载流子高功率微波探测器的灵敏度和降低环境温度对探测器性能的影响，本文在改进探测器制作工艺的基础上，开展了探测器在常温和液氮条件下的灵敏度测试，结果表明，输出波形与肖特基二极管检波器输出波形一致，相对灵敏度提升约20倍，输出电压可达V级。

1.   探测器基本原理

高功率微波探测器基本原理如图 1所示，半导体传感器置于矩形波导中心位置，强场作用下，由于热载流子效应，导致半导体材料的阻抗发生变化，当在传感器上加有恒定的直流电源时，通过测量半导体传感器电压变化即可测量出其电阻变化，再根据电场强度与传感器电阻变化的关系，即可推算出注入微波功率。

图  1  高功率微波探测器示意图

Figure  1.  Diagram of high power microwave detector

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高功率微波探测器输出信号

式中：U_s为输出信号电压幅度；U₀为探测器偏置电压；ΔR/R为当微波场作用时的传感器相对阻抗变化。

高功率微波探测器的基本结构：半导体电阻传感器固定在波导宽边的中间位置，它的上下表面经过欧姆接触处理，分别连接0.1 mm厚的薄铜片和矩形波导的内壁；薄铜片和探测器外部的SMA接口内芯相连，在穿过波导的窄边时进行绝缘处理。传感器通过SMA接口连接到探测器电源的输出支路，作为恒流偏置电源的负载。传感器由电阻率为5 Ω·cm的N型硅制作，尺寸为2 mm×1 mm×2 mm，常温时电阻约为50 Ω。

2.   探测器制作工艺

原探测器传感器的上下表面通过欧姆处理后直接与铜波导焊接，在使用过程中，传感器的下表面易于与铜波导断裂，利用电子显微镜扫描断裂处整体形貌，如图 2所示。发现：断面主要以残留焊料为主，部分区域有功能层损坏，传感器硅基底无损坏；焊料脱落时对功能层薄膜造成撕裂损坏，功能层与硅基结合；脱落主要发生在焊料与黄铜之间。

图  2  探测器断面形貌

Figure  2.  View of HPM detector's section

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通过比较波导材料(黄铜)、N型硅传感器、可阀合金等材料的热膨胀系数，可见，波导黄铜与硅的热膨胀系数差别较大，焊接后中易于发生断裂，几种材料的热膨胀系数如表 1所示。

表  1  热膨胀系数比较

Table  1.  Coefficient of heat expansion at 25 ℃

material	coefficient of thermal expansion/(10-6 K-1)
copper	16.5
brass	18
Kovar alloy	5~6
Si	2.7

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局部使用可阀合金块的BJ-100型热载流子探测器制作工艺加工的探测器成品如图 3所示。利用悬挂砝码法测试探测器传感器焊接的结合力，结果表明，探测器传感器能够承受大于500 g的砝码，其焊接的结合力大于4.9 N，如图 4所示。

图  3  探测器照片

Figure  3.  Photo of HPM detector

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图  4  探测器结合力实验

Figure  4.  Binding force test of HPM detector

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3.   温度对探测器性能影响分析

根据半导体器件的特性可知，探测器性能会随环境温度的变化而有所改变。N型半导体材料的电阻率为

式中：e，μ，n分别为电子电量、迁移率和载流子浓度。

根据电阻率公式可知，电阻率与迁移率和载流子浓度有关。研究表明，对轻掺杂N型半导体器件，在一个很宽的温度范围(150~450 K)，器件处于“非本征温度区”，多子浓度n保持不变，近似等于施主浓度；当温度低于100 K时，器件处于“冻结温度区”，多子浓度小于施主浓度^[8]。

当环境温度低于100 K时，电子浓度等于单位体积内电离施主数，迁移率随温度变化更为显著，在低温下，主要的散射机制为电离杂质散射和声学波散射，不同散射机制的平均自由时间与温度T的关系为

电离杂质散射

声学波散射

式中：τ_i和τ_s分别电子杂质散射和声学波散射的平均自由时间；N_i为电离杂质浓度。

根据迁移率与平均自由时间的关系，可以将两种散射的迁移率表示为

由$\frac{1}{\mu}=\frac{1}{\mu_{\mathrm{i}}}+\frac{1}{\mu_{\mathrm{s}}}$可得

式中：A，B为常数；m_n^*为电子有效质量。当掺杂浓度较低时，可忽略电离散射项，得

式中：C为常数。在液氮温度(78 K)下，掺杂浓度为10¹⁵/cm³的N型硅中，电子浓度约降为室温(300 K)下的4/5^[8]，代入式(7)可知，此时电阻率约降为室温下的1/6。

将探测器置入液氮容器，利用E4890A LCR测试仪实时测试并记录探测器的阻抗，如图 5所示。常温条件下，探测器的电阻为60.2 Ω，液氮中的探测器电阻为10.1 Ω，与理论分析基本一致，实验也验证了探测器具有较强的抗温度冲击能力。

图  5  探测器阻抗变化测试

Figure  5.  Impedance measurement of HPM detector

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4.   探测器灵敏度测试

利用文献[7]研制的探测器直流电源，开展了BJ100波导型探测器在常温和液氮环境条件下的灵敏度测试，分析比较了探测器在两种状态下与肖特基二极管检波器的测量波形、响应时间和灵敏度。

探测器灵敏度测试系统如图 6所示。微波源由固态微波源和速调管放大器组成，其输出微波脉冲频率为9.3 GHz，峰值功率为100 kW，脉冲宽度可由固态微波源进行调节。微波脉冲经过环形器和定向耦合器的主波导后进入探测器，探测器置于液氮装置中。功率计用于监测微波源输出的功率，即可得到注入探测器的功率；检波器用于监测微波源输出波形，用于与探测器测量微波脉冲波形进行比较。

图  6  高功率微波探测器实验系统组成

Figure  6.  Measurement set-up of HPM detector

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实验测试了微波脉冲宽度为1 μs、功率从600 W至78 kW变化、恒流源电流I=70 mA条件下，探测器在室温(T≈300 K)和液氮条件下(T=78 K)的输出电压与注入功率关系曲线，如图 7所示。探测器的相对灵敏度定义为^[9]

图  7  不同温度条件的探测器灵敏度

Figure  7.  Sensitivity curve of detector at different temperature

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式中：R为强场作用前的探测器电阻；P_in为入射功率；U_s为输出电压；I₀为恒流源电流。探测器相对灵敏度在数值上等于入射电磁脉冲功率为单位值时引起的探测器电阻相对变化量。

将常温和液氮环境探测器的电阻值R_{T=300 K}=60.2 Ω和R_{T=78 K}=10.1 Ω代入式(8)，当注入功率为50 kW时，计算可得液氮环境探测器灵敏度比常温下提高了约20倍，最大输出电压幅值达到V级。

比较了液氮环境下探测器测试波形与检波器波形，如图 8所示。由图可知，探测器测量波形与检波器测量波形基本一致，说明探测器响应速度达到了检波器的水平，探测器测量1 μs脉冲信号时波形平顶无畸变，说明在微波脉冲作用时，恒流源保证了电流恒定。

图  8  探测器与检波器测量波形比较

Figure  8.  Microwave pulse waveforms measured by HPM detector and Schottky detector

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5.   结论

改进了BJ-100型热载流子探测器制作工艺，增强了探测器的抗温度冲击能力，探测器硅片焊接的结合力大于4.9 N。开展了热载流子探测器在室温和液氮环境下的灵敏度测试实验，结果表明：探测器输出波形与肖特基二极管检波器输出波形一致；在保持偏置电流相同的条件下，相较于常温环境，探测器在液氮环境下的相对灵敏度提升约20倍，输出电压可达V级。