一种GaAsPIN二极管等效电路

摘要

本发明涉及单片微波集成电路技术领域，公开了一种GaAs PIN二极管等效电路，该电路由P+N-结等效电路单元、本征区等效电路单元和N-N+结等效电路单元依次串联构成。利用本发明，实现了对P+N-结，N-N+结的特性和本征区的特性分别描述。由于该新型的GaAs PIN二极管等效电路对结特性和本征区特性分别加以描述，所以，能够在现有GaAs PIN二极管等效电路模型的基础上进一步提高准确性。同时，相比于物理模型，该等效电路模型参数少且提取过程简单，应用于电路的设计仿真是现实可行的。

权利要求

1.一种砷化镓GaAs PIN二极管等效电路，其特征在于，该电路由P+N-结等效电路单元、本征区等效电路单元和N-N+结等效电路单元依次串联构成；其中：所述P+N-结等效电路单元由P+N-结的结电阻R1与P+N-结的结电容C1并联而成；

所述本征区等效电路单元包括一本征区等效电阻RI；

所述N-N+结等效电路单元由N-N+结的结电阻R2与N-N+结的结电容C2并联而成；

所述P+N-结等效电路单元在连接于本征区等效电路单元的对端进一步串联一寄生电感LS，该寄生电感LS是由GaAs PIN二极管正极和负极的金属引线引入的；

所述N-N+结等效电路单元在连接于本征区等效电路单元的对端进一步串联一寄生电阻RC，该寄生电阻RC是在GaAs PIN二极管正极和负极的电极金属与GaAs PIN二极管的半导体之间产生的。

说明书

技术领域

本发明涉及单片微波集成电路(MMIC)技术领域，尤其涉及一种砷化镓PIN(GaAs PIN)二极管等效电路。

背景技术

随着单片微波集成电路(MMIC)技术的进步，MMIC电路广泛应用于微波控制电路，如天线开关，移相器和衰减器等。GaAs PIN二极管相比于高电子迁移率晶体管(HEMT)，有截止频率高，功率处理能力强，正向导通电阻小，反向关断电容小等优点，从而被广泛应用于MMIC控制电路。对于基于GaAs PIN二极管的MMIC电路设计，模型起关键作用。
GaAs PIN二极管的模型主要有两种，一种是物理模型，另一种是等效电路模型。其中，物理模型是基于定量地求解半导体扩散方程，采用有限元等方法。这样，可以在二维甚至三维上精确地模拟器件特性。但是这种物理模型的参数多，计算时间长，从现实的角度考虑，只能用于个别器件的设计和优化，对电路的模拟是不可行的。
对于等效电路模型，到目前为止，文献中报道较多的等效电路模型是用并联的本征电阻和本征电容表征GaAs PIN二极管特性，没有对P+N-结，N-N+结的特性和本征区的特性分别描述。而实际上，结特性和本征区特性与直流工作电流的关系不同，将两者区别描述是有必要的。

发明内容

(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种GaAs PIN二极管等效电路，以实现对P+N-结，N-N+结的特性和本征区的特性分别描述。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种GaAs PIN二极管等效电路，该电路由P+N-结等效电路单元、本征区等效电路单元和N-N+结等效电路单元依次串联构成。
上述方案中，所述P+N-结等效电路单元由P+N-结的结电阻R1与P+N-结的结电容C1并联而成。
上述方案中，所述本征区等效电路单元包括一本征区等效电阻RI。
上述方案中，所述N-N+结等效电路单元由N-N+结的结电阻R2与N-N+结的结电容C2并联而成。
上述方案中，所述P+N-结等效电路单元在连接于本征区等效电路单元的对端进一步串联一寄生电感LS，该寄生电感LS是由GaAs PIN二极管正极和负极的金属引线引入的；所述N-N+结等效电路单元在连接于本征区等效电路单元的对端进一步串联一寄生电阻RC，该寄生电阻RC是在GaAs PIN二极管正极和负极的电极金属与GaAs PIN二极管的半导体之间产生的。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种GaAs PIN二极管等效电路，通过将GaAs PIN二极管等效为P+N-结等效电路单元、本征区等效电路单元和N-N+结等效电路单元三部分，并将P+N-结等效电路单元、本征区等效电路单元和N-N+结等效电路单元依次串联，构成了一种新型的GaAs PIN二极管等效电路，实现了对P+N-结，N-N+结的特性和本征区的特性分别描述。由于该新型的GaAs PIN二极管等效电路对结特性和本征区特性分别加以描述，所以，能够在现有GaAs PIN二极管等效电路模型的基础上进一步提高了准确性。同时，相比于物理模型，该等效电路模型参数少且提取过程简单，应用于电路的设计仿真是现实可行的。

附图说明

图1为GaAs PIN二极管的低频等效电路模型的示意图；
图2为正向偏置时Im{ABCD(1，2)}与频率的关系曲线图；
图3为GaAs PIN二极管的剖面图；
图4为本发明提供的GaAs PIN二极管等效电路的示意图；
图5为本发明提供的在正向电流为10mA和反向偏压为-10V两种工作点分别进行仿真与测试的对比曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种新型交流等效电路模型。从器件的物理工作机理出发，把GaAs PIN二极管分成P+N-结，本征区和N-N+结三部分，对每部分分别建模，统一成有机的整体。
1、P+N-结
P+N-结的表征采用经典的PN结等效电路模型。首先，由(1)式计算P+N-结的内建势垒电压，再通过(2)式计算出一定直流工作电流下的P+N-结的偏置电压，其中，J表示电流密度，J01表示P+N-结的饱和电流密度。空间电荷区电容和扩散电容的计算分别利用(3)式和(4)式。P+N-结的总电容为空间电荷区电容和扩散电容的和。
$V_{\mathrm{BJ}1}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_A{N}_D}{{n_t}^2}\right)---\left(1\right)$
$V_{A1}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{J}{J_{01}}\right)---\left(2\right)$
$C_{T1}=A\sqrt{\frac{\mathrm{ϵq}{N}_B}{2(V_{\mathrm{BJ}}-V_{A1})}}---\left(3\right)$
$C_{D1}=\mathrm{qA}\frac{q}{\mathrm{kT}}{L}_P{p}_{n0}\exp \left(\frac{q{V}_{A1}}{\mathrm{kT}}\right)---\left(4\right)$
Ctotal1＝CT1+CD1(5)
由此可以得出结论：当GaAs PIN二极管的各层浓度固定不变时，结
电容只是面积和电流密度的函数：CD∞(A，J)。从(6)式可
以得到P+N-结的本征电阻。
$R_1=\frac{\mathrm{kT}}{\mathrm{qAJ}}---\left(6\right)$
2、N-N+结
N-N+结是高低结，在势垒电压、饱和电流密度、正向少子扩散电流的计算上都与PN结不同。N-N+结的内建势垒电压见(7)式。高低结的势垒电压与普通PN结相比要小得多，因为费米能级都靠近导带。N-层的空穴浓度相比于N+层的电子浓度可以忽略，所以只考虑N+层中电子的扩散电流，利用(8)式得到正向少子扩散电流。
$V_{\mathrm{BJ}2}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{n_{\mathrm{on}1}}{n_{\mathrm{on}2}}\right)---\left(7\right)$
$J_{\mathrm{DF}}=J_{\mathrm{Dn}}=\frac{{\mathrm{qD}}_n{n}_{\mathrm{op}}}{L_n}(e^{\frac{q{V}_A}{\mathrm{kT}}}-1)\approx \frac{{\mathrm{qD}}_n{n}_{\mathrm{op}}}{L_n}{e}^{\frac{{\mathrm{qV}}_A}{\mathrm{kT}}}---\left(8\right)$
饱和电流密度为：$J_0=\frac{{\mathrm{qD}}_n{n}_{\mathrm{op}}}{L_n}---\left(9\right)$
N-N+结的结电容和本征电阻的计算过程与P+N-结相同，参见(3)～(6)式。
3、本征区
本征区电阻RI受传导电荷调制。GaAs PIN管电压由结电压Vj和本征区电压Vm组成。其中，Vm和电流的关系如下：
$V_m=I·R_I=\frac{I}{{\mathrm{qAN}}_D}\frac{w}{u_n+p_{\mathrm{ave}}(u_n+u_p)/N_D}---\left(10\right)$
其中，pave为本征区平均空穴浓度，它表征本征区电阻受传导调制，为可变电阻。在参数提取时，可以通过测试设备得到本征区电阻值。首先，需要将小信号测量得到的S参数转换成ABCD参数；其中，S为散射参量矩阵，ABCD为级联参量矩阵，网络参量矩阵是从不同角度描述网络，适用于不同的网络条件，其间可以相互转换；S参数表达的是电压波，它使我们可以用入射电压波和反射电压波的方式定义网络的输入、输出关系；ABCD参数就特别适合于描述级联网络。而ABCD参数的实部矩阵Re{ABCD(1，2)}在低频的值可以近似为所有电阻的和。因为低频(接近直流)的小信号等效电路近似为图1所示，图1为GaAs PIN二极管的低频等效电路模型的示意图。
由于接触电阻RC、P+N-结本征电阻R1、N-N+结本征电阻R2都可求，在已知总电阻为Re{ABCD(1，2)}的情况下，就可以得到N-区电阻：RI＝Re{ABCD(1，2)}-RC-R1-R2。
寄生电阻主要来自于接触电阻，而接触电阻的值不随频率而变化。PIN二极管的内部引线引入了引线电感。由于在高频下容抗相对与感抗可以忽略，所以由ABCD参数的虚部矩阵Im{ABCD(1，2)}即可得到寄生电感的值，即：L＝Im{ABCD(1，2)}/ω。ABCD(1，2)的虚部与频率的关系如图2所示，图2为正向偏置时Im{ABCD(1，2)}与频率的关系曲线图。
4、GaAs PIN二极管的等效电路模型结构
图3为GaAs PIN二极管的剖面图，在图3中，正极和负极的电极金属和半导体之间都产生了接触电阻，正极和负极的金属引线都引入了寄生电感，图中只在正极标出了寄生电阻和电感。
由三部分组成的GaAs PIN二极管的等效电路模型结构如图4所示，图4为本发明提供的GaAs PIN二极管等效电路的示意图。其中，R1表示P+N-结的结电阻，C1表示P+N-结的电容，该电容包含空间电荷区电容和扩散电容；R2表示N-N+结的结电阻，C2表示N-N+结的空间电荷区电容和扩散电容并联的电容。RI表示本征层的电阻，它随注入的载流子浓度而变化，注入本征层的载流子浓度受直流电流的控制。用Ls表示由微带线引起的寄生电感，RC表示电极引入的欧姆接触电阻。
参照图4，本发明提供的这种GaAs PIN二极管等效电路，由P+N-结等效电路单元、本征区等效电路单元和N-N+结等效电路单元依次串联构成。
所述P+N-结等效电路单元由P+N-结的结电阻R1与P+N-结的结电容C1并联而成。所述本征区等效电路单元包括一本征区等效电阻RI。所述N-N+结等效电路单元由N-N+结的结电阻R2与N-N+结的结电容C2并联而成。
所述P+N-结等效电路单元在连接于本征区等效电路单元的对端进一步串联一寄生电感LS，该寄生电感LS是由GaAs PIN二极管正极和负极的金属引线引入的；所述N-N+结等效电路单元在连接于本征区等效电路单元的对端进一步串联一寄生电阻RC，该寄生电阻RC是在GaAs PIN二极管正极和负极的电极金属与GaAs PIN二极管的半导体之间产生的。
本发明提供的GaAs PIN二极管的材料采用MBE工艺制备。首先，在GaAs衬底上生长厚0.4μm的N+GaAs层，N+层的浓度是3×1018cm-3。接着，在N+GaAs层上生长本征的i-GaAs层，厚度是3μm，浓度＜1014cm-3。最后，生长P+GaAs，厚度是1μm，P+层的表面浓度为5×1019cm-3，向i-GaAs层渐变到1×1018cm-3。为形成良好的欧姆接触，P+层的电极采用Pt/Ti/Au，而N+层的电极是Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。GaAs PIN二极管为台面结构，如图3所示。共设计了三种不同尺寸的GaAs PIN二极管：①P型区半径为40微米，N型区半径为60微米；②P型区半径为30微米，N型区半径为50微米；③P型区半径为25微米，N型区半径为45微米。
本发明还采用Agilent公司的ADS(Advanced Design System)仿真工具，对本发明提供的GaAs PIN二极管等效电路进行了方仿真测试。测试采用网络分析仪HP8510C，其测量范围从100MHz到20.1GHz。将GaAsPIN二极管的直流工作点选定在正向电流为10mA和反向偏压为-10V。下面就两种工作点分别验证模型。
如图5所示，图5为本发明提供的在正向电流为10mA和反向偏压为-10V两种工作点分别进行仿真与测试的对比曲线图。其中，a：Ion＝10mA，P型区半径为40μm，b：Ion＝10mA，P型区半径为30μm，c：Ion＝10mA，P型区半径为25μm，d：Voff＝-10V，P型区半径为40μm，e：Voff＝-10V，P型区半径为30μm，f：Voff＝-10V，P型区半径为25μm。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。