專利名稱：一種GaAs PIN二極管等效電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單片微波集成電路(MMIC)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種砷 化鎵PIN (GaAs PIN) 二極管等效電路。
背景技術(shù)：
隨著單片微波集成電路(MMIC)技術(shù)的進步，MMIC電路廣泛應(yīng)用 于微波控制電路，如天線開關(guān)，移相器和衰減器等。GaAs PIN 二極管相 比于高電子遷移率晶體管(HEMT)，有截止頻率高，功率處理能力強，正 向?qū)娮栊。聪蜿P(guān)斷電容小等優(yōu)點，從而被廣泛應(yīng)用于MMIC控制電 路。對于基于GaAs PIN 二極管的MMIC電路設(shè)計，模型起關(guān)鍵作用。
GaAs PIN 二極管的模型主要有兩種， 一種是物理模型，另一種是等 效電路模型。其中，物理模型是基于定量地求解半導(dǎo)體擴散方程，采用有 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(shù)多，計算時間長，從現(xiàn)實的角度考慮，只能用于個別器 件的設(shè)計和優(yōu)化，對電路的模擬是不可行的。
對于等效電路模型，到目前為止，文獻中報道較多的等效電路模型是 用并聯(lián)的本征電阻和本征電容表征GaAs PIN 二極管特性，沒有對P+N-結(jié)，N-N+結(jié)的特性和本征區(qū)的特性分別描述。而實際上，結(jié)特性和本征區(qū)
特性與直流工作電流的關(guān)系不同，將兩者區(qū)別描述是有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種GaAs PIN二極管等效電 路，以實現(xiàn)對P+N-結(jié)，N-N+結(jié)的特性和本征區(qū)的特性分別描述。
(二) 技術(shù)方案
為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種GaAs PIN二極管等效電路，該 電路由P+N-結(jié)等效電路單元、本征區(qū)等效電路單元和N-N+結(jié)等效電路單 元依次串聯(lián)構(gòu)成。
上述方案中，所述P+N-結(jié)等效電路單元由P+N-結(jié)的結(jié)電阻R,與P+N-結(jié)的結(jié)電容C,并聯(lián)而成。
上述方案中，所述本征區(qū)等效電路單元包括一本征區(qū)等效電阻&。
上述方案中，所述N-N+結(jié)等效電路單元由N-N+結(jié)的結(jié)電阻R2與 N-N+結(jié)的結(jié)電容C2并聯(lián)而成。
上述方案中，所述P+N-結(jié)等效電路單元在連接于本征區(qū)等效電路單 元的對端進一步串聯(lián)一寄生電感Ls，該寄生電感Ls是由GaAsPIN二極管 正極和負極的金屬引線引入的；所述N-N+結(jié)等效電路單元在連接于本征 區(qū)等效電路單元的對端進一步串聯(lián)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 二極管的半導(dǎo)體之間 產(chǎn)生的。
(三)有益效果 從上述技術(shù)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GaAs PIN 二極管等效電路，通過將GaAs PIN 二極 管等效為P+N-結(jié)等效電路單元、本征區(qū)等效電路單元和N-N+結(jié)等效電路 單元三部分，并將P+N-結(jié)等效電路單元、本征區(qū)等效電路單元和N-N+結(jié) 等效電路單元依次串聯(lián)，構(gòu)成了一種新型的GaAs PIN二極管等效電路， 實現(xiàn)了對P+N-結(jié)，N-N+結(jié)的特性和本征區(qū)的特性分別描述。由于該新型 的GaAs PIN 二極管等效電路對結(jié)特性和本征區(qū)特性分別加以描述，所以， 能夠在現(xiàn)有GaAs PIN 二極管等效電路模型的基礎(chǔ)上進一步提高了準確 性。同時，相比于物理模型，該等效電路模型參數(shù)少且提取過程簡單，應(yīng) 用于電路的設(shè)計仿真是現(xiàn)實可行的。


圖1為GaAsPIN二極管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(guān)系曲線圖； 圖3為GaAs PIN二極管的剖面圖4為本發(fā)明提供的GaAs PIN二極管等效電路的示意圖； 圖5為本發(fā)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(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)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(fā)，把GaAs PIN二極管分成P+N-結(jié)，本征區(qū)和N-N+結(jié)三部分，對每部 分分別建模，統(tǒng)一成有機的整體。 1、 P+N-結(jié)
P+N-結(jié)的表征采用經(jīng)典的PN結(jié)等效電路模型。首先，由(l)式計算 P+N-結(jié)的內(nèi)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(jié)的偏置電壓，其中，J表示電流密度，J(H表示P+N-結(jié)的飽和電流密度。
空間電荷區(qū)電容和擴散電容的計算分別利用(3)式和(4)式。P+N-結(jié)的 總電容為空間電荷區(qū)電容和擴散電容的和。
<formula>formula see original document page 6</formula>(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
由此可以得出結(jié)論當GaAs PIN二極管的各層濃度固定不變時，結(jié)
電容只是面積和電流密度的函數(shù) Vln7 以得到P+N-結(jié)的本征電阻。
<formula>formula see original document page 6</formula>(6)式可
2、 N畫N+結(jié)
N-N+結(jié)是高低結(jié)，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(jié)不同。N-N+結(jié)的內(nèi)建勢壘電壓見(7)式。高低結(jié)的勢壘電 壓與普通PN結(jié)相比要小得多，因為費米能級都靠近導(dǎo)帶。N-層的空穴濃 度相比于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>formula see original document page 7</formula>
(7)
(8)
飽和電流密度為 L (9)
N-N+結(jié)的結(jié)電容和本征電阻的計算過程與P+N-結(jié)相同，參見(3)'
式,
3、本征區(qū)
本征區(qū)電阻R！受傳導(dǎo)電荷調(diào)制。GaAs PIN管電壓由結(jié)電壓Vj和本征 區(qū)電壓Vm組成。其中，Vm和電流的關(guān)系如下
<formula>formula see original document page 7</formula> (10)
其中，Pave為本征區(qū)平均空穴濃度，它表征本征區(qū)電阻受傳導(dǎo)調(diào)制， 為可變電阻。在參數(shù)提取時，可以通過測試設(shè)備得到本征區(qū)電阻值。首先，
需要將小信號測量得到的S參數(shù)轉(zhuǎn)換成ABCD參數(shù)；其中，S為散射參量 矩陣，ABCD為級聯(lián)參量矩陣，網(wǎng)絡(luò)參量矩陣是從不同角度描述網(wǎng)絡(luò)，適
用于不同的網(wǎng)絡(luò)條件，其間可以相互轉(zhuǎn)換；S參數(shù)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(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出關(guān)系；
ABCD參數(shù)就特別適合于描述級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。而ABCD參數(shù)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二極管的
低頻等效電路模型的示意圖。
由于接觸電阻Rc、 P+N-結(jié)本征電阻R" N-N+結(jié)本征電阻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(qū)電 阻.Hle^45CZ)(l,2)Hc-i 卜i 2 。
寄生電阻主要來自于接觸電阻，而接觸電阻的值不隨頻率而變化。PIN 二極管的內(nèi)部引線引入了引線電感。由于在高頻下容抗相對與感抗可以忽 略，所以由ABCD參數(shù)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(guān)系如 圖2所示，圖2為正向偏置時Im(ABCD(l,2))與頻率的關(guān)系曲線圖。
4、 GaAsPIN二極管的等效電路模型結(jié)構(gòu)
圖3為GaAs PIN 二極管的剖面圖，在圖3中，正極和負極的電極金 屬和半導(dǎo)體之間都產(chǎn)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 二極管的等效電路模型結(jié)構(gòu)如圖4所示， 圖4為本發(fā)明提供的GaAsPIN二極管等效電路的示意圖。其中，R,表示 P+N-結(jié)的結(jié)電阻，C,表示P+N-結(jié)的電容，該電容包含空間電荷區(qū)電容和
擴散電容；R2表示N-N+結(jié)的結(jié)電阻，C2表示N-N+結(jié)的空間電荷區(qū)電容 和擴散電容并聯(lián)的電容。R!表示本征層的電阻，它隨注入的載流子濃度而 變化，注入本征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(fā)明提供的這種GaAsPIN二極管等效電路，由P+N-結(jié) 等效電路單元、本征區(qū)等效電路單元和N-N+結(jié)等效電路單元依次串聯(lián)構(gòu) 成。
所述P+N-結(jié)等效電路單元由P+N-結(jié)的結(jié)電阻R,與P+N-結(jié)的結(jié)電容 C,并聯(lián)而成。所述本征區(qū)等效電路單元包括一本征區(qū)等效電阻RIQ所述 N一N+結(jié)等效電路單元由N-N+結(jié)的結(jié)電阻R2與N-N+結(jié)的結(jié)電容C2并聯(lián)而成。
所述P+N-結(jié)等效電路單元在連接于本征區(qū)等效電路單元的對端進一 步串聯(lián)一寄生電感Ls，該寄生電感Ls是由GaAs PIN 二極管正極和負極的 金屬引線引入的；所述N-N+結(jié)等效電路單元在連接于本征區(qū)等效電路單 元的對端進一步串聯(lián)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二極管的半導(dǎo)體之間產(chǎn)生的。
本發(fā)明提供的GaAsPIN二極管的材料采用MBE工藝制備。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層上生長本征的i-GaAs層，厚度是3pm，濃度<1014 cm—3。最后，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+層的電極采用
Pt/Ti/Au,而N+層的電極是Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。 GaAs PIN二極管為臺面 結(jié)構(gòu)，如圖3所示。共設(shè)計了三種不同尺寸的GaAs PIN二極管①P型 區(qū)半徑為40微米，N型區(qū)半徑為60微米；②P型區(qū)半徑為30微米，N型 區(qū)半徑為50微米；(DP型區(qū)半徑為25微米，N型區(qū)半徑為45微米。
本發(fā)明還采用Agilent公司的ADS(Advanced Design System)仿真工 具，對本發(fā)明提供的GaAs PIN二極管等效電路進行了方仿真測試。測試 采用網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8510C，其測量范圍從100MHz到20.1GHz。將GaAs PIN二極管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(fā)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(qū)半徑為40pm , b: Ion=10mA， P型區(qū)半徑為30pm, c: Ion=10mA, P型 區(qū)半徑為25pm, d: Voff=-10V， P型區(qū)半徑為40fim, e: Voff=-10V， P型區(qū)半徑 為30,, f: Voff二10V, P型區(qū)半徑為25|_im。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而 己，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種砷化鎵GaAs PIN二極管等效電路，其特征在于，該電路由P+N-結(jié)等效電路單元、本征區(qū)等效電路單元和N-N+結(jié)等效電路單元依次串聯(lián)構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAs PIN 二極管等效電路，其特征在于， 所述P+N-結(jié)等效電路單元由P+N-結(jié)的結(jié)電阻R,與P+N-結(jié)的結(jié)電容C,并聯(lián)而成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的GaAsPIN二極管等效電路，其特征在于， 所述本征區(qū)等效電路單元包括一本征區(qū)等效電阻Rj。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的GaAsPIN二極管等效電路，其特征在于， 所述N-N+結(jié)等效電路單元由N-N+結(jié)的結(jié)電阻&與N-N+結(jié)的結(jié)電容C2 并聯(lián)而成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的GaAsPIN二極管等效電路，其特征在于， 所述P+N-結(jié)等效電路單元在連接于本征區(qū)等效電路單元的對端進一步串聯(lián)一寄生電感Ls，該寄生電感Ls是由GaAs PIN二極管正極和負極的 金屬引線引入的；所述N-N+結(jié)等效電路單元在連接于本征區(qū)等效電路單元的對端進一 步串聯(lián)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二極管的半導(dǎo)體之間產(chǎn)生的。
全文摘要
本發(fā)明涉及單片微波集成電路技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種GaAs PIN二極管等效電路，該電路由P+N-結(jié)等效電路單元、本征區(qū)等效電路單元和N-N+結(jié)等效電路單元依次串聯(lián)構(gòu)成。利用本發(fā)明，實現(xiàn)了對P+N-結(jié)，N-N+結(jié)的特性和本征區(qū)的特性分別描述。由于該新型的GaAs PIN二極管等效電路對結(jié)特性和本征區(qū)特性分別加以描述，所以，能夠在現(xiàn)有GaAs PIN二極管等效電路模型的基礎(chǔ)上進一步提高準確性。同時，相比于物理模型，該等效電路模型參數(shù)少且提取過程簡單，應(yīng)用于電路的設(shè)計仿真是現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者吳茹菲 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所