专利名称：一种GaAs PIN二极管等效电路的制作方法
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R,与P+N-结的结电容C,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&。
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GaAsPIN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。
图1为GaAsPIN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(l,2"与频率的关系曲线图； 图3为GaAs PIN二极管的剖面图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。
具体实施例方式
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(l)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，J(H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。
<formula>formula see original document page 6</formula>(1)
(2)
(3)
(4)
(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 Vln7 以得到P+N-结的本征电阻。
<formula>formula see original document page 6</formula>(6)式可
2、 N画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。
<formula>formula see original document page 7</formula>
(7)
(8)
饱和电流密度为 L (9)
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)'
式,
3、本征区
本征区电阻R！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
<formula>formula see original document page 7</formula> (10)
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R" 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.Hle^45CZ)(l,2)Hc-i 卜i 2 。
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，艮P: "Im{WO)(l，2)}/o>。 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(l,2))与频率的关系曲线图。
4、 GaAsPIN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GaAsPIN二极管等效电路的示意图。其中，R,表示 P+N-结的结电阻，C,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。R!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GaAsPIN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R,与P+N-结的结电容 C,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RIQ所述 N一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GaAsPIN二极管的材料采用MBE工艺制备。首先，在 GaAs衬底上生长厚0.4|im的N+ GaAs层，N+层的浓度是3xl018 cm'3。 接着，在N十GaAs层上生长本征的i-GaAs层，厚度是3pm，浓度<1014 cm—3。最后，生长P+GaAs，厚度是ljim， P+层的表面浓度为5xl019cm-3， 向i-GaAs层渐变到lxl018cm—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；(DP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GaAs PIN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40pm , b: Ion=10mA， P型区半径为30pm, c: Ion=10mA, P型 区半径为25pm, d: Voff=-10V， P型区半径为40fim, e: Voff=-10V， P型区半径 为30,, f: Voff二10V, P型区半径为25|_im。
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 己，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。
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。
2、 根据权利要求1所述的GaAs PIN 二极管等效电路，其特征在于， 所述P+N-结等效电路单元由P+N-结的结电阻R,与P+N-结的结电容C,并联而成。
3、 根据权利要求l所述的GaAsPIN二极管等效电路，其特征在于， 所述本征区等效电路单元包括一本征区等效电阻Rj。
4、 根据权利要求l所述的GaAsPIN二极管等效电路，其特征在于， 所述N-N+结等效电路单元由N-N+结的结电阻&与N-N+结的结电容C2 并联而成。
5、 根据权利要求l所述的GaAsPIN二极管等效电路，其特征在于， 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。
全文摘要
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。
文档编号G06F17/50GK101382964SQ20071012150
公开日2009年3月11日 申请日期2007年9月7日 优先权日2007年9月7日
发明者吴茹菲 申请人:中国科学院微电子研究所