一种PIN管的非线性等效电路制造技术

本发明专利技术公开了一种ＰＩＮ管的非线性等效电路，该电路由寄生电阻、Ｐ－Ｉ结等效电路单元、本征Ｉ区等效电路单元、Ｉ－Ｎ结等效电路单元和反向电容构成，其中，所述寄生电阻、Ｐ－Ｉ结等效电路单元、Ｉ区等效电路单元和Ｉ－Ｎ结等效电路单元依次串联，所述反向电容与所述Ｐ－Ｉ结等效电路单元、Ｉ区等效电路单元和Ｉ－Ｎ结等效电路单元并联。利用本发明专利技术，实现了包含ＰＩＮ二极管的ＲＦ／ＭＷ电路仿真，本发明专利技术尤其适用于ＰＩＮ二极管的ＲＦ／ＭＷ电路的谐波、互调失真的分析。

A nonlinear equivalent circuit of PIN tube

The invention discloses a PIN tube nonlinear equivalent circuit, the circuit of the parasitic resistance, P - I junction equivalent circuit unit, the intrinsic I equivalent circuit unit, I - N junction equivalent circuit unit and a reverse capacitor. Among them, the parasitic resistance, P - I junction equivalent circuit unit, I the equivalent circuit unit and I N equivalent circuit unit in series, the reverse capacitance with the P I equivalent circuit unit, I unit and I N equivalent circuit with parallel equivalent circuit unit. The invention realizes the simulation of the RF / MW circuit with an PIN diode, and is especially suitable for the analysis of the harmonic and intermodulation distortion of the RF / MW circuit of the PIN diode.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及射频/微波器件
，尤其涉及一种PIN管的非线 性等效电路。
技术介绍
PIN管因其截止频率高、正向导通电阻小、反向关断电容低、功 率处理能力强、制造技术相对简单，成本低等优点，广泛应用于有源、 无源的微波、射频领域，包括移相器、开关、衰减器和限幅器。在所有这些应用中，开关时间、截止频率和互调等关键参数，均 取决于本征区的电荷贮存效应。本征区是在高掺杂的P层和N层中间 的未掺杂或低掺杂层。本征区发生复杂的电荷贮存现象，使器件的阻 抗随频率和偏置发生显著变化。微波频段的传统PIN等效电路只包括直流电流控制的电阻，而没 有考虑非线性效应。描述阻抗-频率关系的理论分析已经有过研究，但 因为没有相应的非线性等效电路，因而无法与现有的电路仿真软件集 成兼容。实现包含PIN二极管的复杂射频/微波(RFMW)电路仿真，尤其 是大信号输入或者输入端有多个干扰信号的电路，要求其开发出PIN 二极管的非线性等效电路，且该电路描述能够PIN管的阻抗-频率关系、 终端复合效应及自偏置效应等。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题 有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种PIN 二极管非线性等 效电路，以实现包含PIN二极管的复杂射频/微波(RF/MW)电路的精 确仿真。(二) 技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种PIN管的非线性等效电路，该电路由寄生电阻、P-I结等效电路单元、I区等效电路单元、I-N结等效电路单元和反向电容构成，其中，所述寄生电阻、P-I结等效电路单元、I区等效电路单元和I-N结等效电路单元依次串联，所述反向电容 与所述P-I结等效电路单元、I区等效电路单元和I-N结等效电路单元 并联。优选地，在正向偏置下，所述反向电容无限大，相当于断开反向 支路，寄生电阻、P-I结等效电路单元、I区等效电路单元和I-N结等 效电路单元依次串联；在反向偏置下，所述I区电阻无限大，相当于 断开正向支路，交流信号只能通过反向电容传输，所述反向电容与寄 生电阻依次串联。优选地，所述寄生电阻包括欧姆接触电阻、P+区电阻、N+区电阻 以及封装寄生电阻；所述欧姆接触电阻用来表征P+区和N+区的欧姆 接触电阻，P+区电阻用来表征P+区的掺杂电阻，N+区电阻用来表征 N+区的掺杂电阻，封装寄生电阻表用来征封装引入的寄生电阻。优选地，所述P-I结等效电路单元由可变结电阻和可变电流源构 成，其中，可变电流源提供P+区注入的空穴在P-I结的扩散电流，以 及N+区注入的电子在P-I结的漂移电流。优选地，所述I区等效电路单元由本征区可变电阻和可变电流源 构成，其中，可变电流源提供P+区注入的空穴在I区的复合电流，以 及N+区注入的电子在I区的复合电流。优选地，所述I-N结等效电路单元由可变结电阻和可变电流源构 成，其中，可变电流源提供N+区注入的电子在I-N结的扩散电流，以 及P+区注入的空穴在I-N结的漂移电流。(三) 有益效果 从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果 本专利技术提供的这种PIN管的非线性等效电路，在直流控制的基础上，考虑了阻抗-频率关系、终端复合效应及自偏置效应等非线性，可以完整地描述PIN二极管的非线性工作机制。同时，用直观的等效电 路代替物理分析，可以与现有的电路分析软件兼容，从而实现了包含PIN 二极管的RF/MW电路仿真，尤其适用于PIN 二极管的RP/MW电 路的谐波、互调失真的分析。附图说明图1为仅直流电流控制下的I区载流子分布曲线； 图2为仅微波大信号作用下的I区载流子分布曲线； 图3为直流与微波信号共同作用下I区载流子分布曲线； 图4为仅考虑I区的非线性模型的示意图5为掺杂浓度分布(虚线)和包含结复合机制的载流子分布(实 线)曲线；图6为本专利技术提供的PIN管的非线性等效电路的示意图。 具体实施例方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术提供的这种PIN 二极管的非线性等效电路，是在PIN 二极 管的直流控制模型基础上，考虑了交流大信号对PIN管的本征层(I 层)的传导调制，综合了PIN管的阻抗-频率关系、终端复合效应和自 偏置效应的影响，并能与现有的电路仿真软件集成兼容的非线性等效 电路。研究PIN二极管的非线性，是在大注入状态下进行的，即PIN管 的输入微波信号很大，大到在没有处于直流偏置的状态时，仅微波信 号也可以驱动PIN管正常工作。大注入状态下研究PIN二极管，只考 虑其本征区(I区)的电荷贮存效应，而忽略其他区域的影响，如欧姆 接触电阻、重掺杂区电阻、表面漏电导、结的阻抗和寄生阻抗。研究 方法，首先定性分析载流子分布，其次用扩散方程得到精确的载流子 浓度。当PIN管只传输直流信号时，重掺杂区向I区注入电子和空穴，5浓度远高于I区平衡载流子浓度。在I区边界处载流子浓度最高，而在 I区内部的某一个截面上，载流子浓度最低，浓度最低值高于或者等于 I区本身的平衡载流子浓度，如图1所示。由于I区向重掺杂区注入的 少子浓度很低，载流子的复合主要发生在I区。P+区的空穴和N+区的 电子向I区的扩散既与电场有关，同时也与浓度梯度有关。当有足够大的微波信号驱动PIN管，足以使其正常工作时，I区边 界处的载流子浓度通过扩散建立起来，但边界处的浓度衰减很快，信 号频率越高，则I区边界的浓度衰减越快。在I区其他区域，载流子浓度保持不变，仍然为I区本身的平衡载流子浓度，如图2所示。微波信号随时间变化，但I区的浓度分布却不变。微波信号的传输是通过 载流子在其平均位置上的振动实现的。这时，只要存在直流通路，通过载流子复合，直流电流依然可以流过PIN管。由于大注入状态下，I 区边界处，即结处的载流子浓度远高于I区内部的载流子浓度，因而 结相当于电学短路，在大注入状态下可以忽略结的阻抗。当直流与微波信号共同驱动PIN管时，直流信号使整个I区的电 荷均匀的增长，而微波信号仅提高I区边界的载流子浓度，并不改变I 区内部的载流子浓度，如图3所示。通过上述的大信号对PIN管的I区电荷(阻抗)的调制分析，可 见，大注入下I区的阻抗呈现非线性，因而其输出端不可避免地会产 生谐波、互调等一系列的失真。下面分析当输入端有多个信号时，在 输出端的谐波和互调分量。当输入信号为/(0 = |>cos(co)I区电压降为《)=If2-<formula>formula see original document page 6</formula>采用Taylor级数展开，得到:为了进一步简化，采取了一系列物理近似，(1) I区载流子寿命足够长，从而忽略I区载流子的复合，令直 流注入的载流子浓度保持不变，即。00 = 0,(2) 信号频率足够高，以使on口 1，(3) 所有的电流同相。在以上假设下，并令I区电流和电压呈关系式/,仍-v,(0/仏，则I 区的总电流为<formula>formula see original document page 7</formula>式(4)中，/为失真的次数。积分项包含了RF传导调制效应，因而产生了谐波和互调失真。积分项可以通过级数展开写为<formula>f本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＰＩＮ管的非线性等效电路，其特征在于，该电路由寄生电阻、Ｐ－Ｉ结等效电路单元、本征Ｉ区等效电路单元、Ｉ－Ｎ结等效电路单元和反向电容构成，其中，所述寄生电阻、Ｐ－Ｉ结等效电路单元、Ｉ区等效电路单元和Ｉ－Ｎ结等效电路单元依次串联，所述反向电容与所述Ｐ－Ｉ结等效电路单元、Ｉ区等效电路单元和Ｉ－Ｎ结等效电路单元并联。

【技术特征摘要】
1、一种PIN管的非线性等效电路，其特征在于，该电路由寄生电阻、P-I结等效电路单元、本征I区等效电路单元、I-N结等效电路单元和反向电容构成，其中，所述寄生电阻、P-I结等效电路单元、I区等效电路单元和I-N结等效电路单元依次串联，所述反向电容与所述P-I结等效电路单元、I区等效电路单元和I-N结等效电路单元并联。2、 根据权利要求1所述的PIN管的非线性等效电路，其特征在于， 在正向偏置下，所述反向电容无限大，相当于断开反向支路，寄生电阻、P-I结等效电路单元、I区等效电路单元和I-N结等效电路单 元依次串联；在反向偏置下，所述I区电阻无限大，相当于断开正向支路，所 述反向电容与寄生电阻依次串联。3、 根据权利要求1所述的PIN管的非线性等效电路，其特征在于， 所述寄生电阻包括欧姆接触电阻、P+区电阻、N+区电阻以及封装寄生 电阻；所述欧姆接触电阻用来表征P+区和N+区的欧姆...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴茹菲，张海英，尹军舰，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]