非线性结点探测器.pdf

1 引言 非线性结点探测器是应用半导体 PN 结非线性原理，探测射频信号的谐波，探 测和定位非线性结点是否存在的仪器。上世纪八十年代，非线性结点探测器主要用 于探测定位监视窃听设备和探测隐藏的武器。 近年来，世界各种恐怖活动日益猖獗， 利用爆炸进行恐怖活动已成为当今世界一种新的犯罪手段，爆炸恐怖事件层出不 穷，爆炸破坏造成的损失更加惨重。这些爆炸大部分是由电子设备和电子定时器的 控制，于是非线性结点探测器又有了新的应用，探测爆炸物的电子引爆装置。现在 越来越多的安检人员开始使用非线性结点探测器在铁路、机场和海关进行包裹安 检。 2 非线性结点探测器探测原理 非线性结点探测器用于探测目标的谐波辐射，而能够产生谐波辐射的目标是非 线性目标。非线性目标对接收到的基频信号，不但辐射基波分量，同时也辐射谐波 分量。典型的非线性目标包括带有 PN 结点的电子设备和带有金属结的目标。非线 性目标的伏安特性一般为曲线关系。 PN结点及一般半导体器件中的 PN结，它的伏安特性曲线如图 1 所示。 图 1 PN 结点的伏安特性曲线 如图 1 中可以看出，当 PN结两端加正向电压时，外加电压的方向与阻挡层内 部电场方向相反，削弱了阻挡层内部的电场，电子和空穴的扩散运动远大于漂移运 动，即扩散电流占绝对优势。 PN结点正向电流可以表示为： I=I s （eq υ/ κT-1 ） 式中， Is 是与外加电压无关的系数，称为反向饱和电流。它与 PN结点中载流 -19 子浓度、扩散情况和温度等因素有关； q 为电子电荷量，等于 1.602 ×10 C； υ 为 结点两端正向电压； T 为绝对温度，单位为 K， κ 为波尔兹曼常数，等于 1.38 × -23 q υ/ κT q υ/ κT 10 J/K 。由于 e 1，那么 I ≈I se ，PN 结点正向电流与两端正向电压为指 数关系，这种非线性关系即可产生谐波再辐射。 两块同种或异种金属接触后，在适当条件 ( 如压力、距离 ) 下，特别是中间有一 层氧化物 ( 例如生锈 ) 时，即形成金属结，或金属 - 氧化物 - 金属结。用晶体管特性测 试仪能够直接观察到金属结的伏安特性曲线，如图 2 所示。 图 2 金属结的伏安特性曲线 如图 2 中，金属结的正、反向伏安特性曲线基本上是以原点为对称中心呈反对 称形式，可以认为它是一个奇函数曲线。金属结中电流的形成主要是隧道效应，其 次是小部分超过势垒高度的热能量热电子发射。常温下，当接点两端电压 v ≤1．5V 时，隧道电流可以近似表示为： 3 v v I R 0 式中， β 为伏安特性的非线性系数，单位是 [1/V 2 ] ；R0 为金属结初始电阻，即 当接点两端电压为零时的电阻，单位为 [ Ω] 。 当两端电压 v ≥1．5V 后，金属结的伏安特性与 PN结点的正向伏安特性相似， 即可以看成为指数形式。如果继续加大金属结两端的电压，将会出现不可恢复的击 穿现象。因此可得出结论：在击穿电压以内，金属结的伏安特性都是非线性的。这 种非线性就是金属结能够产生谐波再辐射的基本物理机制。 理论分析和实验证明：由于 PN 结点和金属结点伏安特性不同，当受到电磁波 照射后，其再辐射信号