一種GaAsPIN二極體等效電路的製作方法

2023-06-12 13:14:21 1

專利名稱：一種GaAs PIN二極體等效電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及單片微波集成電路(MMIC)技術領域，尤其涉及一種砷 化鎵PIN (GaAs PIN) 二極體等效電路。
背景技術：
隨著單片微波集成電路(MMIC)技術的進步，MMIC電路廣泛應用 於微波控制電路，如天線開關，移相器和衰減器等。GaAs PIN 二極體相 比於高電子遷移率電晶體(HEMT)，有截止頻率高，功率處理能力強，正 嚮導通電阻小，反向關斷電容小等優點，從而被廣泛應用於MMIC控制電 路。對於基於GaAs PIN 二極體的MMIC電路設計，模型起關鍵作用。
GaAs PIN 二極體的模型主要有兩種， 一種是物理模型，另一種是等 效電路模型。其中，物理模型是基於定量地求解半導體擴散方程，採用有 限元等方法。這樣，可以在二維甚至三維上精確地模擬器件特性。但是這 種物理模型的參數多，計算時間長，從現實的角度考慮，只能用於個別器 件的設計和優化，對電路的模擬是不可行的。
對於等效電路模型，到目前為止，文獻中報導較多的等效電路模型是 用並聯的本徵電阻和本徵電容表徵GaAs PIN 二極體特性，沒有對P+N-結，N-N+結的特性和本徵區的特性分別描述。而實際上，結特性和本徵區
特性與直流工作電流的關係不同，將兩者區別描述是有必要的。

發明內容
(一) 要解決的技術問題
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種GaAs PIN二極體等效電 路，以實現對P+N-結，N-N+結的特性和本徵區的特性分別描述。
(二) 技術方案
為達到上述目的，本發明提供了一種GaAs PIN二極體等效電路，該 電路由P+N-結等效電路單元、本徵區等效電路單元和N-N+結等效電路單 元依次串聯構成。
上述方案中，所述P+N-結等效電路單元由P+N-結的結電阻R,與P+N-結的結電容C,並聯而成。
上述方案中，所述本徵區等效電路單元包括一本徵區等效電阻&。
上述方案中，所述N-N+結等效電路單元由N-N+結的結電阻R2與 N-N+結的結電容C2並聯而成。
上述方案中，所述P+N-結等效電路單元在連接於本徵區等效電路單 元的對端進一步串聯一寄生電感Ls，該寄生電感Ls是由GaAsPIN二極體 正極和負極的金屬引線引入的；所述N-N+結等效電路單元在連接於本徵 區等效電路單元的對端進一步串聯一寄生電阻Rc，該寄生電阻Rc是在 GaAs PIN 二極體正極和負極的電極金屬與GaAs PIN 二極體的半導體之間 產生的。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果
本發明提供的這種GaAs PIN 二極體等效電路，通過將GaAs PIN 二極 管等效為P+N-結等效電路單元、本徵區等效電路單元和N-N+結等效電路 單元三部分，並將P+N-結等效電路單元、本徵區等效電路單元和N-N+結 等效電路單元依次串聯，構成了一種新型的GaAs PIN二極體等效電路， 實現了對P+N-結，N-N+結的特性和本徵區的特性分別描述。由於該新型 的GaAs PIN 二極體等效電路對結特性和本徵區特性分別加以描述，所以， 能夠在現有GaAs PIN 二極體等效電路模型的基礎上進一步提高了準確 性。同時，相比於物理模型，該等效電路模型參數少且提取過程簡單，應 用於電路的設計仿真是現實可行的。


圖1為GaAsPIN二極體的低頻等效電路模型的示意圖； 圖2為正向偏置時Im(ABCD(l,2"與頻率的關係曲線圖； 圖3為GaAs PIN二極體的剖面圖4為本發明提供的GaAs PIN二極體等效電路的示意圖； 圖5為本發明提供的在正向電流為10mA和反向偏壓為-10V兩種工作 點分別進行仿真與測試的對比曲線圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實
施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
本發明提供了一種新型交流等效電路模型。從器件的物理工作機理出
發，把GaAs PIN二極體分成P+N-結，本徵區和N-N+結三部分，對每部 分分別建模，統一成有機的整體。 1、 P+N-結
P+N-結的表徵採用經典的PN結等效電路模型。首先，由(l)式計算 P+N-結的內建勢壘電壓，再通過(2)式計算出一定直流工作電流下的P+N-
結的偏置電壓，其中，J表示電流密度，J(H表示P+N-結的飽和電流密度。
空間電荷區電容和擴散電容的計算分別利用(3)式和(4)式。P+N-結的 總電容為空間電荷區電容和擴散電容的和。
formula see original document page 6(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
由此可以得出結論當GaAs PIN二極體的各層濃度固定不變時，結
電容只是面積和電流密度的函數 Vln7 以得到P+N-結的本徵電阻。
formula see original document page 6(6)式可
2、 N畫N+結
N-N+結是高低結，在勢壘電壓、飽和電流密度、正向少子擴散電流的 計算上都與PN結不同。N-N+結的內建勢壘電壓見(7)式。高低結的勢壘電 壓與普通PN結相比要小得多，因為費米能級都靠近導帶。N-層的空穴濃 度相比於N+層的電子濃度可以忽略，所以只考慮N+層中電子的擴散電流，
利用(8)式得到正向少子擴散電流。
formula see original document page 7
(7)
(8)
飽和電流密度為 L (9)
N-N+結的結電容和本徵電阻的計算過程與P+N-結相同，參見(3)'
式,
3、本徵區
本徵區電阻R！受傳導電荷調製。GaAs PIN管電壓由結電壓Vj和本徵 區電壓Vm組成。其中，Vm和電流的關係如下
formula see original document page 7 (10)
其中，Pave為本徵區平均空穴濃度，它表徵本徵區電阻受傳導調製， 為可變電阻。在參數提取時，可以通過測試設備得到本徵區電阻值。首先，
需要將小信號測量得到的S參數轉換成ABCD參數；其中，S為散射參量 矩陣，ABCD為級聯參量矩陣，網絡參量矩陣是從不同角度描述網絡，適
用於不同的網絡條件，其間可以相互轉換；S參數表達的是電壓波，它使 我們可以用入射電壓波和反射電壓波的方式定義網絡的輸入、輸出關係；
ABCD參數就特別適合於描述級聯網絡。而ABCD參數的實部矩陣
Re(ABCD (1， 2) }在低頻的值可以近似為所有電阻的和。因為低頻(接
近直流)的小信號等效電路近似為圖1所示，圖1為GaAs PIN二極體的
低頻等效電路模型的示意圖。
由於接觸電阻Rc、 P+N-結本徵電阻R" N-N+結本徵電阻R2都可求，
在已知總電阻為Re(ABCD (1， 2) }的情況下，就可以得到N-區電 阻.Hle^45CZ)(l,2)Hc-i 卜i 2 。
寄生電阻主要來自於接觸電阻，而接觸電阻的值不隨頻率而變化。PIN 二極體的內部引線引入了引線電感。由於在高頻下容抗相對與感抗可以忽 略，所以由ABCD參數的虛部矩陣Im{ABCD (1， 2) }即可得到寄生電 感的值，艮P: "Im{WO)(l，2)}/o>。 ABCD (1， 2)的虛部與頻率的關係如 圖2所示，圖2為正向偏置時Im(ABCD(l,2))與頻率的關係曲線圖。
4、 GaAsPIN二極體的等效電路模型結構
圖3為GaAs PIN 二極體的剖面圖，在圖3中，正極和負極的電極金 屬和半導體之間都產生了接觸電阻，正極和負極的金屬引線都引入了寄生 電感，圖中只在正極標出了寄生電阻和電感。
由三部分組成的GaAs PIN 二極體的等效電路模型結構如圖4所示， 圖4為本發明提供的GaAsPIN二極體等效電路的示意圖。其中，R,表示 P+N-結的結電阻，C,表示P+N-結的電容，該電容包含空間電荷區電容和
擴散電容；R2表示N-N+結的結電阻，C2表示N-N+結的空間電荷區電容 和擴散電容並聯的電容。R!表示本徵層的電阻，它隨注入的載流子濃度而 變化，注入本徵層的載流子濃度受直流電流的控制。用Ls表示由微帶線 引起的寄生電感，Rc表示電極引入的歐姆接觸電阻。
參照圖4，本發明提供的這種GaAsPIN二極體等效電路，由P+N-結 等效電路單元、本徵區等效電路單元和N-N+結等效電路單元依次串聯構 成。
所述P+N-結等效電路單元由P+N-結的結電阻R,與P+N-結的結電容 C,並聯而成。所述本徵區等效電路單元包括一本徵區等效電阻RIQ所述 N一N+結等效電路單元由N-N+結的結電阻R2與N-N+結的結電容C2並聯而成。
所述P+N-結等效電路單元在連接於本徵區等效電路單元的對端進一 步串聯一寄生電感Ls，該寄生電感Ls是由GaAs PIN 二極體正極和負極的 金屬引線引入的；所述N-N+結等效電路單元在連接於本徵區等效電路單 元的對端進一步串聯一寄生電阻Rc，該寄生電阻Rc是在GaAs PIN 二極 管正極和負極的電極金屬與GaAs PIN二極體的半導體之間產生的。
本發明提供的GaAsPIN二極體的材料採用MBE工藝製備。首先，在 GaAs襯底上生長厚0.4|im的N+ GaAs層，N+層的濃度是3xl018 cm'3。 接著，在N十GaAs層上生長本徵的i-GaAs層，厚度是3pm，濃度<1014 cm—3。最後，生長P+GaAs，厚度是ljim， P+層的表面濃度為5xl019cm-3， 向i-GaAs層漸變到lxl018cm—3。為形成良好的歐姆接觸，P+層的電極採用
Pt/Ti/Au,而N+層的電極是Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。 GaAs PIN二極體為臺面 結構，如圖3所示。共設計了三種不同尺寸的GaAs PIN二極體①P型 區半徑為40微米，N型區半徑為60微米；②P型區半徑為30微米，N型 區半徑為50微米；(DP型區半徑為25微米，N型區半徑為45微米。
本發明還採用Agilent公司的ADS(Advanced Design System)仿真工 具，對本發明提供的GaAs PIN二極體等效電路進行了方仿真測試。測試 採用網絡分析儀HP8510C，其測量範圍從100MHz到20.1GHz。將GaAs PIN二極體的直流工作點選定在正向電流為10mA和反向偏壓為-10V。下 面就兩種工作點分別驗證模型。
如圖5所示，圖5為本發明提供的在正向電流為10mA和反向偏壓為 -10V兩種工作點分別進行仿真與測試的對比曲線圖。其中，a: Ion=10mA,P 型區半徑為40pm , b: Ion=10mA， P型區半徑為30pm, c: Ion=10mA, P型 區半徑為25pm, d: Voff=-10V， P型區半徑為40fim, e: Voff=-10V， P型區半徑 為30,, f: Voff二10V, P型區半徑為25|_im。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、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，以上所述僅為本發明的具體實施例而 己，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種砷化鎵GaAs PIN二極體等效電路，其特徵在於，該電路由P+N-結等效電路單元、本徵區等效電路單元和N-N+結等效電路單元依次串聯構成。
2、 根據權利要求1所述的GaAs PIN 二極體等效電路，其特徵在於， 所述P+N-結等效電路單元由P+N-結的結電阻R,與P+N-結的結電容C,並聯而成。
3、 根據權利要求l所述的GaAsPIN二極體等效電路，其特徵在於， 所述本徵區等效電路單元包括一本徵區等效電阻Rj。
4、 根據權利要求l所述的GaAsPIN二極體等效電路，其特徵在於， 所述N-N+結等效電路單元由N-N+結的結電阻&與N-N+結的結電容C2 並聯而成。
5、 根據權利要求l所述的GaAsPIN二極體等效電路，其特徵在於， 所述P+N-結等效電路單元在連接於本徵區等效電路單元的對端進一步串聯一寄生電感Ls，該寄生電感Ls是由GaAs PIN二極體正極和負極的 金屬引線引入的；所述N-N+結等效電路單元在連接於本徵區等效電路單元的對端進一 步串聯一寄生電阻Rc，該寄生電阻Rc是在GaAs PIN 二極體正極和負極 的電極金屬與GaAs PIN二極體的半導體之間產生的。
全文摘要
本發明涉及單片微波集成電路技術領域，公開了一種GaAs PIN二極體等效電路，該電路由P+N-結等效電路單元、本徵區等效電路單元和N-N+結等效電路單元依次串聯構成。利用本發明，實現了對P+N-結，N-N+結的特性和本徵區的特性分別描述。由於該新型的GaAs PIN二極體等效電路對結特性和本徵區特性分別加以描述，所以，能夠在現有GaAs PIN二極體等效電路模型的基礎上進一步提高準確性。同時，相比於物理模型，該等效電路模型參數少且提取過程簡單，應用於電路的設計仿真是現實可行的。
文檔編號G06F17/50GK101382964SQ20071012150
公開日2009年3月11日 申請日期2007年9月7日 優先權日2007年9月7日
發明者吳茹菲 申請人:中國科學院微電子研究所