專利名稱：Pin二極管的等效電路及其參數(shù)獲取方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體射頻器件的等效電路及其參數(shù)獲取方法。
背景技術：
普通的二極管由PN結(jié)組成。如果在ρ型半導體和η型半導體之間加入一層本征 (Intrinsic)半導體，這種P_I_N結(jié)構的二極管就是PIN 二極管。所述本征半導體在理想情況下應為絕緣材料，但實際應用中常采用輕摻雜的η型或P型半導體材料，其載流子濃度很低不能提供電流。請參閱圖1，這是一種采用Bipolar或BiCMOS工藝所實現(xiàn)的集成PIN 二極管的結(jié)構示意圖。在P型襯底11之上具有η型半導體12，通常為η型重摻雜。再往上為本征半導體13，通常為η型輕摻雜。再往上為ρ型半導體14。這樣便在縱向上構成了一個PIN 二極管。PIN 二極管主要應用在射頻領域。例如，PIN 二極管可作為高速開關器件，實現(xiàn)射頻收發(fā)電路與系統(tǒng)的高速連通與關斷的功能，從而有效地提高射頻收發(fā)電路的集成度和整體性能?，F(xiàn)有的PIN 二極管的等效電路往往過于簡單。例如，PIN 二極管加正向偏壓時以一個電阻代替，PIN 二極管加反向偏壓時以串聯(lián)的一個電阻和一個電容代替。這種PIN 二極管的等效電路不包括寄生的PNP晶體管及寄生的高頻元件，無法滿足射頻集成電路設計的精度要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種PIN 二極管的等效電路，可以較好地在射頻電路設計中模擬PIN 二極管。為此，本發(fā)明還要提供所述PIN 二極管的等效電路的參數(shù)獲取方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明PIN 二極管的等效電路包括η型端口和地之間的第一網(wǎng)絡、η型端口和ρ型端口之間的第二網(wǎng)絡、ρ型端口和地之間的第三網(wǎng)絡；所述PIN 二極管為縱向結(jié)構，在P型襯底之上依次為η型半導體、本征半導體、P型半導體；所述第一網(wǎng)絡為并聯(lián)的第二電阻和第二電容，其一端接地，另一端接第二二極管的陽極；第二二極管的陰極接η型端口 ；所述第二網(wǎng)絡為并聯(lián)的第一電容和第一支路；所述第一支路為串聯(lián)的第一電感、第一電阻和第一二極管，其中第一二極管的陰極接η型端口 ；所述第三網(wǎng)絡為并聯(lián)的第三電阻和第三電容，其一端接地，另一端通過第四電容接P型端口；連接第一網(wǎng)絡和第二網(wǎng)絡的PNP三極管，其發(fā)射極接第一二極管的陽極，基極接η 型端口，集電極接第二二極管的陽極。上述PIN 二極管的等效電路的參數(shù)獲取方法包括如下步驟
第1步，對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓，測試PIN 二極管中的P型半導體和η型半導體所形成的寄生PN結(jié)的直流電流和偏壓之間的關系、以及結(jié)電容和偏壓之間的關系，從而得到第一二極管的直流參數(shù)和電容參數(shù)；對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓，測試PIN 二極管中的本征半導體與P型襯底之間所形成的寄生PN結(jié)的直流電流和偏壓之間的關系、以及結(jié)電容和偏壓之間的關系，從而得到第二二極管的直流參數(shù)和電容參數(shù)；對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓，測試PIN 二極管中的ρ 型半導體、PIN 二極管中的η型半導體、ρ型襯底這三者所形成的寄生PNP晶體管的直流電流和偏壓之間的關系、以及結(jié)電容和偏壓之間的關系，從而得到PNP三極管的直流參數(shù)和電容參數(shù)；第2步，對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓-IOV 2V，在不同頻率0. OlGHz IOOGHz下測試得到PIN 二極管的高頻導納參數(shù)Y，以及該高頻導納參數(shù) Y與頻率變化的數(shù)據(jù)曲線；經(jīng)換算后得到第三網(wǎng)絡的高頻導納參數(shù)Υ3，以及該高頻導納參數(shù)Υ3隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線；第3步，將第四電容設為1 X 10_14法拉，將第二電容和第三電容均設為2 X 10_14法拉，將第二電阻和第三電阻均設為500歐姆，取TO參數(shù)的實部，調(diào)整第一電阻的取值，使TO 參數(shù)的實部隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線盡可能擬合第2步所得TO參數(shù)隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線的低頻部分；第4步，取TO參數(shù)的虛部，調(diào)整第一電容的取值，使TO參數(shù)的虛部除以2倍的圓周率與頻率的乘積后，隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線盡可能擬合第2步所得TO參數(shù)隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線的低頻部分；第5步，取TO參數(shù)的虛部，調(diào)整第一電感的取值，使TO參數(shù)的虛部除以2倍的圓周率與頻率的乘積后，隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線盡可能擬合第2步所得TO參數(shù)隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線的高頻部分。本發(fā)明PIN 二極管的等效電路不僅包括了 PIN 二極管的主體部分(第一二極管) 和寄生PN結(jié)(第二二極管)，還包括了寄生PNP晶體管(PNP三極管)、串聯(lián)電阻(第一電阻)、串聯(lián)電感(第一電感)、耦合電容(第一電容、第四電容)、襯底寄生電容(第二電容、 第三電容)、襯底寄生電阻(第二電阻、第三電阻)等，完整地考慮了 PIN二極管的物理結(jié)構的各個組成部分對其高頻電學特性的影響，可以較好地在高頻電路(尤其是射頻電路)中用于模擬PIN 二極管，進行仿真試驗，測試相關影響等。與之相對應的參數(shù)獲取方法，可快速確定本發(fā)明PIN 二極管的等效電路中的參數(shù)，并較大地提高本發(fā)明PIN 二極管的等效電路在電學特性上的擬合效果。


圖1是一種PIN 二極管的結(jié)構示意圖；圖2是本發(fā)明PIN 二極管的等效電路的結(jié)構示意圖。圖中附圖標記說明11為ρ型襯底；12為η型半導體；13為本征半導體；14為ρ型半導體。
具體實施例方式請參閱圖2，這是本發(fā)明PIN 二極管的等效電路的一個實施例，與圖1所示的PIN 二極管相對應。該PIN 二極管的等效電路具有π型網(wǎng)絡的電路結(jié)構，包括η型端口和地之間的第一網(wǎng)絡、η型端口和ρ型端口之間的第二網(wǎng)絡、ρ型端口和地之間的第三網(wǎng)絡。所述第一網(wǎng)絡為并聯(lián)的第二電阻R2和第二電容C2，其一端接地，另一端接第二二極管D2的陽極；第二二極管D2的陰極接η型端口。所述第二網(wǎng)絡為并聯(lián)的第一電容Cl和第一支路；所述第一支路為串聯(lián)的第一電感Li、第一電阻Rl和第一二極管D1，其中第一二極管Dl的陰極接η型端口；所述第三網(wǎng)絡為并聯(lián)的第三電阻R3和第三電容C3，其一端接地，另一端通過第四電容C4接ρ型端口 ；連接第一網(wǎng)絡和第二網(wǎng)絡的PNP三極管Tl，其發(fā)射極接第一二極管Dl的陽極，基極接η型端口，集電極接第二二極管D2的陽極。上述等效電路中的各個元器件都有著實際的物理意義。第一網(wǎng)絡中，第二電阻R2表示PIN 二極管中的η型半導體12與ρ型襯底11之間的寄生電阻；第二電容C2表示PIN 二極管中的η型半導體12與ρ型襯底11之間的寄生電容；第二二極管D2，用來表示PIN 二極管中的本征半導體I3與ρ型襯底11之間所形成的寄生PN結(jié)。第二網(wǎng)絡中，第一電容Cl用來表示PIN 二極管的兩端口耦合電容；第一電感Ll表示PIN 二極管的串聯(lián)電感；第一電阻Rl表示PIN 二極管的串聯(lián)電阻；第一二極管Dl表示 PIN 二極管中的ρ型半導體14和η型半導體12所形成的寄生PN結(jié)。第三網(wǎng)絡中，第三電阻R3表示PIN 二極管中的ρ型半導體14與ρ型襯底11之間的寄生電阻；第三電容C3表示PIN 二極管中的ρ型半導體14與ρ型襯底11之間的寄生電容；第四電容C4表示PIN 二極管中的ρ型半導體14與ρ型襯底11之間的耦合電容。PNP三極管Tl表示PIN 二極管中的ρ型半導體14、ΡΙΝ 二極管中的η型半導體12、 P型襯底11這三者所形成的寄生PNP晶體管。通常，第四電容C4可設為IX 10_14法拉，第二電容C2和第三電容C3可設為 2Χ 10_14法拉，第二電阻R2和第三電阻R3可設為500歐姆。當采用上述PIN 二極管的等效電路在電路設計中模擬PIN 二極管時，為了獲得最好的仿真、測試效果，還需要對該等效電路中的參數(shù)進行選擇。該等效電路的參數(shù)獲取方法包括如下步驟第1步，對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓-IOV 2V，測試如圖1所示的PIN 二極管中的ρ型半導體14和η型半導體12所形成的寄生PN結(jié)的直流電流和兩端口之間偏壓之間的關系、以及結(jié)電容和兩端口之間偏壓之間的關系，從而得到第一二極管Dl的直流參數(shù)和電容參數(shù)。與此類似，對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓-IOV 2V，測試PIN 二極管中的本征半導體13與ρ型襯底11之間所形成的寄生PN結(jié)的直流電流和兩端口之間偏壓之間的關系、以及結(jié)電容和兩端口之間偏壓之間的關系，從而得到第二二極管D2的直流參數(shù)和電容參數(shù)。所述二極管的直流參數(shù)包括飽和電流面積分量IS、飽和電流周長分量ISW、發(fā)射系數(shù)(注入系數(shù))N、正向大電流BETA下降點IK、寄生電阻(歐姆電阻)RS。 所述二極管的電容參數(shù)包括結(jié)電容面積分量CJ、結(jié)梯度因子面積分量MJ、結(jié)電
勢面積分量VJ、結(jié)電容周長分量CJSW、結(jié)梯度因子周長分量MJSW、結(jié)電勢周長分量VJSW。與此類似，對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓-IOV 2V，測試PIN 二極管中的ρ型半導體14、PIN 二極管中的η型半導體12、ρ型襯底11這三者所形成的寄生PNP晶體管的直流電流和兩端口之間偏壓之間的關系、以及結(jié)電容和兩端口之間偏壓之間的關系，從而得到PNP三極管Tl的直流參數(shù)和電容參數(shù)。三極管的直流參數(shù)包括飽和電流IS、正向電流發(fā)射系數(shù)(正向電流注入系數(shù)) NF、正向大電流BETA下降點IKF、發(fā)射極電阻(發(fā)射極歐姆電阻)RE、零偏壓基極電阻(零偏最大基極電阻)RB、集電極電阻(集電極歐姆電阻)RC、正向歐拉Early電壓VAF、反向歐拉Early電壓VAR。三極管的電容參數(shù)包括BE結(jié)(基極與發(fā)射極之間的PN結(jié))零偏壓耗盡電容CJE、 BE結(jié)內(nèi)建電勢VJE、BE結(jié)梯度因子MJE、BC結(jié)(基極與集電極之間的PN結(jié))零偏壓耗盡電容CJC、BC結(jié)內(nèi)建電勢VJC、BC結(jié)梯度因子MJC。第2步，對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓-IOV 2V，在不同頻率0. OlGHz IOOGHz下測試得到PIN 二極管的高頻導納參數(shù)Y，以及該高頻導納參數(shù) Y隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線；經(jīng)換算后得到圖2所示的PIN 二極管的等效電路中第三網(wǎng)絡的高頻導納參數(shù)Υ3，以及該高頻導納參數(shù)TO隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線。換算方法很簡單。Y參
數(shù)由輸入導納Υ11、反向Υ12、正向Υ21和輸出導納Υ22四個子參數(shù)所組成,v J丨二稱
為兩端口網(wǎng)絡的導納參數(shù)矩陣，也叫Y參數(shù)矩陣。而TO = _Y12。TO參數(shù)為復數(shù)，包括實部和虛部兩部分。第3步，將第四電容設為IXlO44法拉，將第二電容和第三電容均設為2X10 法拉，將第二電阻和第三電阻均設為500歐姆，取TO參數(shù)的實部，調(diào)整第一電阻Rl的取值，使 Y3參數(shù)的實部隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線盡可能擬合第2步所得的TO參數(shù)隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線的低頻(頻率彡IGHz)部分，從而得到第一電阻Rl的取值。第4步，取TO參數(shù)的虛部，調(diào)整第一電容Cl的取值，使TO參數(shù)的虛部除以2倍的圓周率與頻率的乘積后，隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線盡可能擬合第2步所得的TO參數(shù)隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線的低頻(頻率< IGHz)部分，從而得到第一電容Cl的取值。第5步，取TO參數(shù)的虛部，調(diào)整第一電感Ll的取值，使TO參數(shù)的虛部除以2倍的圓周率與頻率的乘積后，隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線盡可能擬合第2步所得的TO參數(shù)隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線的高頻段(頻率> IOGHz)部分，從而得到第一電感Ll的取值。當?shù)谝欢O管D1、第二二極管D2、PNP三極管Tl的直流參數(shù)和電容參數(shù)確定，且第一電阻R1、第一電容Cl、第一電感Ll的取值獲得后，本發(fā)明PIN 二極管的等效電路中的所有元器件的參數(shù)都已獲得。這樣，針對任意PIN 二極管即可得到一個完全由簡單元器件所組成、且各個簡單元器件的參數(shù)確定的等效電路。該等效電路可以在高頻電路設計、尤其是射頻電路設計中較好地模擬PIN 二極管，為后續(xù)的電路仿真、測試發(fā)揮重要作用。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限定本發(fā)明。對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種PIN 二極管的等效電路，所述PIN 二極管為縱向結(jié)構，在ρ型襯底之上依次為η 型半導體、本征半導體、ρ型半導體；其特征是，包括η型端口和地之間的第一網(wǎng)絡、η型端口和ρ型端口之間的第二網(wǎng)絡、ρ型端口和地之間的第三網(wǎng)絡；所述第一網(wǎng)絡為并聯(lián)的第二電阻和第二電容，其一端接地，另一端接第二二極管的陽極；第二二極管的陰極接η型端口 ；所述第二網(wǎng)絡為并聯(lián)的第一電容和第一支路；所述第一支路為串聯(lián)的第一電感、第一電阻和第一二極管，其中第一二極管的陰極接η型端口 ；所述第三網(wǎng)絡為并聯(lián)的第三電阻和第三電容，其一端接地，另一端通過第四電容接P 型端口 ；連接第一網(wǎng)絡和第二網(wǎng)絡的PNP三極管，其發(fā)射極接第一二極管的陽極，基極接η型端口，集電極接第二二極管的陽極。
2.根據(jù)權利要求1所述的PIN二極管的等效電路，其特征是，第一網(wǎng)絡中，第二電阻、第二電容分別表示PIN二極管中的η型半導體與ρ型襯底之間的寄生電阻、寄生電容；第二二極管表示PIN二極管中的本征半導體與ρ型襯底之間所形成的寄生PN結(jié)；第二網(wǎng)絡中，第一電容表示PIN 二極管的兩端口耦合電容；第一電感、第一電阻分別表示PIN 二極管的串聯(lián)電感、串聯(lián)電阻；第一二極管表示PIN 二極管中的ρ型半導體和η型半導體所形成的寄生PN結(jié)；第三網(wǎng)絡中，第三電阻、第三電容分別表示PIN二極管中的ρ型半導體與ρ型襯底之間的寄生電阻、寄生電容；第四電容表示PIN二極管中的ρ型半導體與ρ型襯底之間的耦合電容；PNP三極管表示PIN 二極管中的ρ型半導體、PIN 二極管中的η型半導體、ρ型襯底這三者所形成的寄生PNP晶體管。
3.如權利要求1所述的PIN二極管的等效電路的參數(shù)獲取方法，其特征是，包括如下步驟第1步，對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓，測試PIN 二極管中的 P型半導體和η型半導體所形成的寄生PN結(jié)的直流電流和偏壓之間的關系、以及結(jié)電容和偏壓之間的關系，從而得到第一二極管的直流參數(shù)和電容參數(shù)；對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓，測試PIN 二極管中的本征半導體與P型襯底之間所形成的寄生PN結(jié)的直流電流和偏壓之間的關系、以及結(jié)電容和偏壓之間的關系，從而得到第二二極管的直流參數(shù)和電容參數(shù)；對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓，測試PIN 二極管中的ρ型半導體、PIN 二極管中的η型半導體、ρ型襯底這三者所形成的寄生PNP晶體管的直流電流和偏壓之間的關系、以及結(jié)電容和偏壓之間的關系，從而得到PNP三極管的直流參數(shù)和電容參數(shù)；第2步，對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加不同偏壓，在不同頻率下測試得到PIN 二極管的高頻導納參數(shù)Y，以及該高頻導納參數(shù)Y與頻率變化的數(shù)據(jù)曲線；經(jīng)換算后得到第三網(wǎng)絡的高頻導納參數(shù)Υ3，以及該高頻導納參數(shù)TO隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線；第3步，將第四電容設為1 X 10_14法拉，將第二電容和第三電容均設為2 X 10_14法拉，將第二電阻和第三電阻均設為500歐姆，取TO參數(shù)的實部，調(diào)整第一電阻的取值，使TO參數(shù)的實部隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線盡可能擬合第2步所得TO參數(shù)隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線的低頻部分；第4步，取TO參數(shù)的虛部，調(diào)整第一電容的取值，使TO參數(shù)的虛部除以2倍的圓周率與頻率的乘積后，隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線盡可能擬合第2步所得TO參數(shù)隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線的低頻部分；第5步，取TO參數(shù)的虛部，調(diào)整第一電感的取值，使TO參數(shù)的虛部除以2倍的圓周率與頻率的乘積后，隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線盡可能擬合第2步所得TO參數(shù)隨頻率變化的數(shù)據(jù)曲線的高頻部分。
4.根據(jù)權利要求3所述的PIN二極管的等效電路的參數(shù)獲取方法，其特征是，所述方法第1步和第2步中，對PIN 二極管的ρ型端口和η型端口之間施加偏壓的范圍為-IOV 2V。
5.根據(jù)權利要求3所述的PIN二極管的等效電路的參數(shù)獲取方法，其特征是，所述方法第2步中，頻率范圍為0. OlGHz IOOGHz ；所述方法第3步和第4步中，低頻部分為頻率 (IGHz的部分；所述方法第5步中，高頻部分為頻率> IOGHz的部分。
6.根據(jù)權利要求3所述的PIN二極管的等效電路的參數(shù)獲取方法，其特征是，所述方法第1步中，第一二極管和第二二極管的直流參數(shù)包括飽和電流面積分量、飽和電流周長分量、發(fā)射系數(shù)、正向大電流BETA下降點、寄生電阻；第一二極管和第二二極管的電容參數(shù)包括結(jié)電容面積分量、結(jié)梯度因子面積分量、結(jié)電勢面積分量、結(jié)電容周長分量、結(jié)梯度因子周長分量、結(jié)電勢周長分量；PNP三極管的直流參數(shù)包括飽和電流、正向電流發(fā)射系數(shù)、正向大電流BETA下降點、 發(fā)射極電阻RE、零偏壓基極電阻、集電極電阻、正向歐拉電壓、反向歐拉電壓；PNP三極管的電容參數(shù)包括BE結(jié)零偏壓耗盡電容、BE結(jié)內(nèi)建電勢、BE結(jié)梯度因子、BC 結(jié)零偏壓耗盡電容、BC結(jié)內(nèi)建電勢、BC結(jié)梯度因子。
7.根據(jù)權利要求3所述的PIN二極管的等效電路的參數(shù)獲取方法，其特征是，所述方法第2步中，高頻導納參數(shù)Y由輸入導納Y11、反向?qū)Ъ{Y12、正向?qū)Ъ{Y21和輸出導納Y22 四個子參數(shù)所組成，而第三網(wǎng)絡的高頻導納參數(shù)Y3 = -Y12。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種PIN二極管的等效電路，包括n型端口和地之間的第一網(wǎng)絡、n型端口和p型端口之間的第二網(wǎng)絡、p型端口和地之間的第三網(wǎng)絡。第一網(wǎng)絡為并聯(lián)的第二電阻和第二電容，其一端接地，另一端接第二二極管的陽極；第二二極管的陰極接n型端口。第二網(wǎng)絡為并聯(lián)的第一電容和第一支路；所述第一支路為串聯(lián)的第一電感、第一電阻和第一二極管，其中第一二極管的陰極接n型端口。第三網(wǎng)絡為并聯(lián)的第三電阻和第三電容，其一端接地，另一端通過第四電容接p型端口。PNP三極管連接第一網(wǎng)絡和第二網(wǎng)絡，其發(fā)射極接第一二極管的陽極，基極接n型端口，集電極接第二二極管的陽極。本發(fā)明可用于在高頻電路設計中較好地模擬PIN二極管并進行仿真測試。
文檔編號G06F17/50GK102521433SQ201110370459
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權日2011年11月21日
發(fā)明者周天舒 申請人:上海華虹Nec電子有限公司