專利名稱：一種pin管的非線性等效電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及射頻/微波器件技術領域，尤其涉及一種PIN管的非線 性等效電路。
背景技術：
PIN管因其截止頻率高、正向導通電阻小、反向關斷電容低、功 率處理能力強、制造技術相對簡單，成本低等優(yōu)點，廣泛應用于有源、 無源的微波、射頻領域，包括移相器、開關、衰減器和限幅器。
在所有這些應用中，開關時間、截止頻率和互調等關鍵參數(shù)，均 取決于本征區(qū)的電荷貯存效應。本征區(qū)是在高摻雜的P層和N層中間 的未摻雜或低摻雜層。本征區(qū)發(fā)生復雜的電荷貯存現(xiàn)象，使器件的阻 抗隨頻率和偏置發(fā)生顯著變化。
微波頻段的傳統(tǒng)PIN等效電路只包括直流電流控制的電阻，而沒 有考慮非線性效應。描述阻抗-頻率關系的理論分析已經(jīng)有過研究，但 因為沒有相應的非線性等效電路，因而無法與現(xiàn)有的電路仿真軟件集 成兼容。
實現(xiàn)包含PIN二極管的復雜射頻/微波(RFMW)電路仿真，尤其 是大信號輸入或者輸入端有多個干擾信號的電路，要求其開發(fā)出PIN 二極管的非線性等效電路，且該電路描述能夠PIN管的阻抗-頻率關系、 終端復合效應及自偏置效應等。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種PIN 二極管非線性等 效電路，以實現(xiàn)包含PIN二極管的復雜射頻/微波(RF/MW)電路的精 確仿真。(二) 技術方案
為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種PIN管的非線性等效電路，
該電路由寄生電阻、P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單元、I-N結等
效電路單元和反向電容構成，其中，所述寄生電阻、P-I結等效電路單
元、I區(qū)等效電路單元和I-N結等效電路單元依次串聯(lián)，所述反向電容 與所述P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單元和I-N結等效電路單元 并聯(lián)。
優(yōu)選地，在正向偏置下，所述反向電容無限大，相當于斷開反向 支路，寄生電阻、P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單元和I-N結等 效電路單元依次串聯(lián)；在反向偏置下，所述I區(qū)電阻無限大，相當于 斷開正向支路，交流信號只能通過反向電容傳輸，所述反向電容與寄 生電阻依次串聯(lián)。
優(yōu)選地，所述寄生電阻包括歐姆接觸電阻、P+區(qū)電阻、N+區(qū)電阻 以及封裝寄生電阻；所述歐姆接觸電阻用來表征P+區(qū)和N+區(qū)的歐姆 接觸電阻，P+區(qū)電阻用來表征P+區(qū)的摻雜電阻，N+區(qū)電阻用來表征 N+區(qū)的摻雜電阻，封裝寄生電阻表用來征封裝引入的寄生電阻。
優(yōu)選地，所述P-I結等效電路單元由可變結電阻和可變電流源構 成，其中，可變電流源提供P+區(qū)注入的空穴在P-I結的擴散電流，以 及N+區(qū)注入的電子在P-I結的漂移電流。
優(yōu)選地，所述I區(qū)等效電路單元由本征區(qū)可變電阻和可變電流源 構成，其中，可變電流源提供P+區(qū)注入的空穴在I區(qū)的復合電流，以 及N+區(qū)注入的電子在I區(qū)的復合電流。
優(yōu)選地，所述I-N結等效電路單元由可變結電阻和可變電流源構 成，其中，可變電流源提供N+區(qū)注入的電子在I-N結的擴散電流，以 及P+區(qū)注入的空穴在I-N結的漂移電流。
(三) 有益效果 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果 本發(fā)明提供的這種PIN管的非線性等效電路，在直流控制的基礎
上，考慮了阻抗-頻率關系、終端復合效應及自偏置效應等非線性，可以完整地描述PIN二極管的非線性工作機制。同時，用直觀的等效電 路代替物理分析，可以與現(xiàn)有的電路分析軟件兼容，從而實現(xiàn)了包含
PIN 二極管的RF/MW電路仿真，尤其適用于PIN 二極管的RP/MW電 路的諧波、互調失真的分析。


圖1為僅直流電流控制下的I區(qū)載流子分布曲線； 圖2為僅微波大信號作用下的I區(qū)載流子分布曲線； 圖3為直流與微波信號共同作用下I區(qū)載流子分布曲線； 圖4為僅考慮I區(qū)的非線性模型的示意圖5為摻雜濃度分布(虛線)和包含結復合機制的載流子分布(實 線)曲線；
圖6為本發(fā)明提供的PIN管的非線性等效電路的示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具 體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
本發(fā)明提供的這種PIN 二極管的非線性等效電路，是在PIN 二極 管的直流控制模型基礎上，考慮了交流大信號對PIN管的本征層(I 層)的傳導調制，綜合了PIN管的阻抗-頻率關系、終端復合效應和自 偏置效應的影響，并能與現(xiàn)有的電路仿真軟件集成兼容的非線性等效 電路。
研究PIN二極管的非線性，是在大注入狀態(tài)下進行的，即PIN管 的輸入微波信號很大，大到在沒有處于直流偏置的狀態(tài)時，僅微波信 號也可以驅動PIN管正常工作。大注入狀態(tài)下研究PIN二極管，只考 慮其本征區(qū)(I區(qū))的電荷貯存效應，而忽略其他區(qū)域的影響，如歐姆 接觸電阻、重摻雜區(qū)電阻、表面漏電導、結的阻抗和寄生阻抗。研究 方法，首先定性分析載流子分布，其次用擴散方程得到精確的載流子 濃度。
當PIN管只傳輸直流信號時，重摻雜區(qū)向I區(qū)注入電子和空穴，
5濃度遠高于I區(qū)平衡載流子濃度。在I區(qū)邊界處載流子濃度最高，而在 I區(qū)內部的某一個截面上，載流子濃度最低，濃度最低值高于或者等于 I區(qū)本身的平衡載流子濃度，如圖1所示。由于I區(qū)向重摻雜區(qū)注入的 少子濃度很低，載流子的復合主要發(fā)生在I區(qū)。P+區(qū)的空穴和N+區(qū)的 電子向I區(qū)的擴散既與電場有關，同時也與濃度梯度有關。
當有足夠大的微波信號驅動PIN管，足以使其正常工作時，I區(qū)邊 界處的載流子濃度通過擴散建立起來，但邊界處的濃度衰減很快，信 號頻率越高，則I區(qū)邊界的濃度衰減越快。在I區(qū)其他區(qū)域，載流子濃
度保持不變，仍然為I區(qū)本身的平衡載流子濃度，如圖2所示。微波
信號隨時間變化，但I區(qū)的濃度分布卻不變。微波信號的傳輸是通過 載流子在其平均位置上的振動實現(xiàn)的。這時，只要存在直流通路，通
過載流子復合，直流電流依然可以流過PIN管。由于大注入狀態(tài)下，I 區(qū)邊界處，即結處的載流子濃度遠高于I區(qū)內部的載流子濃度，因而 結相當于電學短路，在大注入狀態(tài)下可以忽略結的阻抗。
當直流與微波信號共同驅動PIN管時，直流信號使整個I區(qū)的電 荷均勻的增長，而微波信號僅提高I區(qū)邊界的載流子濃度，并不改變I 區(qū)內部的載流子濃度，如圖3所示。
通過上述的大信號對PIN管的I區(qū)電荷(阻抗)的調制分析，可 見，大注入下I區(qū)的阻抗呈現(xiàn)非線性，因而其輸出端不可避免地會產(chǎn) 生諧波、互調等一系列的失真。下面分析當輸入端有多個信號時，在 輸出端的諧波和互調分量。
當輸入信號為/(0 = |>cos(co")
I區(qū)電壓降為《)=If2-
<formula>formula see original document page 6</formula>
采用Taylor級數(shù)展開，得到:為了進一步簡化，采取了一系列物理近似，
(1) I區(qū)載流子壽命足夠長，從而忽略I區(qū)載流子的復合，令直 流注入的載流子濃度保持不變，即"。00 = "0,
(2) 信號頻率足夠高，以使on口 1，
(3) 所有的電流同相。
在以上假設下，并令I區(qū)電流和電壓呈關系式/,仍-v,(0/仏，則I 區(qū)的總電流為<formula>formula see original document page 7</formula>
式(4)中，/為失真的次數(shù)。積分項包含了RF傳導調制效應，因
而產(chǎn)生了諧波和互調失真。積分項可以通過級數(shù)展開寫為
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，/ = m + + 。最終的輸出失真電流可以寫為<formula>formula see original document page 7</formula>
至此，考慮了 I區(qū)的電荷調制效應的非線性等效電路可以表示為 圖4所示的電路。在此基礎上，進一步考慮載流子在其他區(qū)域的分布。 從P+區(qū)注入的空穴，在PI結形成復合電流，在I區(qū)形成擴散電流，并 在IN結形成復合電流。對于N+區(qū)注入的電子，同理。載流子分布如 圖5所示。通過研究結處的復合電流，可以得到結的阻抗<formula>formula see original document page 8</formula>
而/,仍為包含了直流信號和交流信號的輸入電流。則總阻抗可以表 示為
<formula>formula see original document page 8</formula>
考慮重摻雜區(qū)電阻、歐姆接觸電阻，用A來表示，利用小信號等 效電路，可以提取兄的值(詳情參考文獻[l])。
當PIN管反向偏置時，反向電容如式(11)所示 C一~~^~~pF (11)
綜合上述本征區(qū)的分析、結的分析以及重摻雜區(qū)和歐姆接觸的分 析，最終得到完整的PIN管非線性等效電路，如圖6所示，圖6為本 發(fā)明提供的PIN管的非線性等效電路的示意圖，該電路由寄生電阻、 P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單元、I-N結等效電路單元和反向電 容構成，其中，所述寄生電阻、P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單 元和I-N結等效電路單元依次串聯(lián)，所述反向電容與所述P-I結等效電 路單元、I區(qū)等效電路單元和I-N結等效電路單元并聯(lián)。
在正向偏置下，所述反向電容無限大，相當于斷開反向支路，寄 生電阻、P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單元和I-N結等效電路單 元依次串聯(lián)；在反向偏置下，所述I區(qū)電阻無限大，相當于斷開正向 支路，交流信號只能通過反向電容傳輸，所述反向電容與寄生電阻依 次串聯(lián)。反向電容并非無限小，典型值為0.5pF;寄生電阻主要由接觸電阻構成，正偏和反偏時相同。
由于PIN管在正向和反向偏置下的工作模式不同，在正向下相當 于一個小電阻，而反向下相當于斷路，所以一般應用于開關。為了精
確分析其物理工作機理，按照它的結構分成了 P-I結、I-N結、I區(qū)和
寄生電阻四部分分別建立模型。由于反向偏置時過剩載流子被抽離出I
區(qū)，PIN管是關斷的，因此沒有必要分成四部分考慮，而只研究其電
壓控制的反向電容。
在非線性等效電路中，所述寄生電阻包括歐姆接觸電阻、p+區(qū)電
阻、N+區(qū)電阻以及封裝寄生電阻；所述歐姆接觸電阻用來表征P+區(qū)和
N+區(qū)的歐姆接觸電阻，P+區(qū)電阻用來表征P+區(qū)的摻雜電阻，N+區(qū)電 阻用來表征N+區(qū)的摻雜電阻，封裝寄生電阻表用來征封裝引入的寄生 電阻。
所述P-I結等效電路單元由可變結電阻和可變電流源構成，其中， 可變電流源提供P+區(qū)注入的空穴在P-I結的擴散電流，以及N+區(qū)注入 的電子在P-I結的漂移電流，由于受交流大信號的調制，該電流源是變 化的。
所述I區(qū)等效電路單元由本征區(qū)可變電阻和可變電流源構成，其 中，可變電流源提供P+區(qū)注入的空穴在I區(qū)的復合電流，以及N+區(qū)注 入的電子在I區(qū)的復合電流。
所述I-N結等效電路單元由可變結電阻和可變電流源構成，其中， 可變電流源提供N+區(qū)注入的電子在I-N結的擴散電流，以及P+區(qū)注入 的空穴在I-N結的漂移電流。
參考文獻[1] Wu Rufei， Zhang Haiying， Yin Junjian， Li Xiao, Liu Huidong， Liu Xunchun ,，，A Novel Equivalent Circuit Model of GaAs PIN Diodes," ， Chinese Journal of Semiconductors, 29(4), April, 2008 。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果 進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體 實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內， 所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍 之內。
9
權利要求
1、一種PIN管的非線性等效電路，其特征在于，該電路由寄生電阻、P-I結等效電路單元、本征I區(qū)等效電路單元、I-N結等效電路單元和反向電容構成，其中，所述寄生電阻、P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單元和I-N結等效電路單元依次串聯(lián)，所述反向電容與所述P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單元和I-N結等效電路單元并聯(lián)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的PIN管的非線性等效電路，其特征在于， 在正向偏置下，所述反向電容無限大，相當于斷開反向支路，寄生電阻、P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單元和I-N結等效電路單 元依次串聯(lián)；在反向偏置下，所述I區(qū)電阻無限大，相當于斷開正向支路，所 述反向電容與寄生電阻依次串聯(lián)。
3、 根據(jù)權利要求1所述的PIN管的非線性等效電路，其特征在于， 所述寄生電阻包括歐姆接觸電阻、P+區(qū)電阻、N+區(qū)電阻以及封裝寄生 電阻；所述歐姆接觸電阻用來表征P+區(qū)和N+區(qū)的歐姆接觸電阻，P+ 區(qū)電阻用來表征P+區(qū)的摻雜電阻，N+區(qū)電阻用來表征N+區(qū)的摻雜電 阻，封裝寄生電阻表用來征封裝引入的寄生電阻。
4、 根據(jù)權利要求1所述的PIN管的非線性等效電路，其特征在于， 所述P-I結等效電路單元由可變結電阻和可變電流源構成，其中，可變 電流源提供P+區(qū)注入的空穴在P-I結的擴散電流，以及N+區(qū)注入的電 子在P-I結的漂移電流。
5、 根據(jù)權利要求1所述的PIN管的非線性等效電路，其特征在于， 所述I區(qū)等效電路單元由本征區(qū)可變電阻和可變電流源構成，其中， 可變電流源提供P+區(qū)注入的空穴在I區(qū)的復合電流，以及N+區(qū)注入的 電子在I區(qū)的復合電流。
6、 根據(jù)權利要求1所述的PIN管的非線性等效電路，其特征在于， 所述I-N結等效電路單元由可變結電阻和可變電流源構成，其中，可 變電流源提供N+區(qū)注入的電子在I-N結的擴散電流，以及P+區(qū)注入的 空穴在I-N結的漂移電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種PIN管的非線性等效電路，該電路由寄生電阻、P-I結等效電路單元、本征I區(qū)等效電路單元、I-N結等效電路單元和反向電容構成，其中，所述寄生電阻、P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單元和I-N結等效電路單元依次串聯(lián)，所述反向電容與所述P-I結等效電路單元、I區(qū)等效電路單元和I-N結等效電路單元并聯(lián)。利用本發(fā)明，實現(xiàn)了包含PIN二極管的RF/MW電路仿真，本發(fā)明尤其適用于PIN二極管的RF/MW電路的諧波、互調失真的分析。
文檔編號G06F17/50GK101561829SQ20081010422
公開日2009年10月21日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權日2008年4月16日
發(fā)明者吳茹菲, 尹軍艦, 張海英 申請人:中國科學院微電子研究所