pin二极管的物理机制、仿真模型及其应用的研究-毕业论文.pdf

《pin二极管的物理机制、仿真模型及其应用的研究-毕业论文.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《pin二极管的物理机制、仿真模型及其应用的研究-毕业论文.pdf（94页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、中南大学硕士学位论文PIN二极管的物理机制、仿真模型及其应用研究申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理中南大学硕士学位论文Master Dissertation,Central South UniversityPIN二极管的物理机制、仿真模型及其应用研究 摘要P IN二极管是广泛应用于微波、电力和光电领域中的一种常见半导体器件。顾名思义，它是由掺杂浓度很高的P型结和N型结中间夹杂一层本征半导体材 料构成，因为不可能存在完全没有杂质的纯净半导体，所以应用中P IN管的I层 或多或少掺有少量的P型或N型材料，习惯上称为，型或。型层，即常用的P IN 管是P n N或P u N管。P IN二极管在微波领

2、域中多用作微波开关、微波衰减器、微波限幅器、数字 移相器等；在电力领域中多用作大功率整流管等；在光电领域中多用作光电检测 器等等。关于它的文章也较多。但是，发表的文章中多侧重于理论分析和实际应 用两个方面，而很少讨论它的建模问题，特别是物理模型和简化的电路仿真模型 以及这两种模型间的联系。另外，还有一个奇怪的现象：在P Spice(P erson al-Compu t er Simu lat ion P rog ram Wit h In t eg rat ed Circu it Emph asis)这一广泛 流行的电路分析软件中却没有P IN二极管的模型，已有的二极管模型并不能反映 P IN管

3、的工作特性。针对以上两个问题，本文着重对以下三方面进行了研究：1、以P N结理论为基础，建立P IN管的物理模型,计算P IN二极管精确的模型 参数；2、采用拉普拉斯变换、泰勒极数和线性逼近的方法，将分析模型简化，提出 了两种简单而实用的P(N二极管仿JX模型：3、介绍P IN二极管在系统设计中的一些应用。经理论计第，电路仿真和实验测定，本文建立了 P【N管的物理模型。该模型 综合了理论计算、实验测定和数学建模，因此它具有适用范围广、精确度高和计 算速度快等优点。最重要的是,它能精确分析P IN二极管的时间特性和动态特性,并加入了俄歇复合等方面的影响。当然，该模型也有它的局限性，因为它的推导

4、是以大注入情况为基础，所以主要用于大功率电路的建模。但由于其模型的独立 性，可以不用修改任何代码进行各种情况的仿真，且它嵌入到P Spice这一广泛 流行的电路分析软件中，故对大注入情况的电路仍具有极其重要的意义。因电路 中的参数均是理论计算而得，它的正确性可由经典半导体理论验证，所以它具有 很宽的应用范围，不太受外界条件的影响，唯一考虑的因素是，工作条件是否在 其假设范围内。关键词：物理建模 P IN二极管微波电力半导体中南大学硕士学位论文Master Dissertation,Central South UniversityStu d ies on Mecha nism,Simu la t

5、ion Mod els a ndApplica tions of the PIN Diod eAbstra ctP IN d iod e is a common d ev ice t h at is wid ely u sed in microwav e,elect ric power an d ph ot o elect ricit y field s.It is easily kn own t h at it con sist s of P ju n ct ion,N ju n ct ion an d t h e I layer bet ween t h em.B ecau se t h

6、ere d oesn t exist pu re semicon d u ct or,t h ere are some P or N t ype impu rit y in t h e I layer,We oft en call it k or layer,t h e correspon d in g P IN d iod e is n amed as P n N or P u N d iod e.In t h e microwav e field,t h e P IN d iod e is oft en u sed as microwav e swit ch,microwav e at t

7、 en u at or,microwav e limit er an d d ig it ai ph ase-sh ift er et c.;In t h e elect ric power field,it is u su ally u sed as rect ifier d iod es;In t h e ph ot o elect ricit y field,it is u sed as ph ot oelect ric d et ect or.T h ere are man y papers d iscu ssin g it,bu t t h ey pay mu ch at t en

8、t ion t o t h e t h eory an alysis an d pract ical applicat ion,few t o it s mod el,especially t h e P h ysics Mod el an d t h e circu it simu lat ion mod el.In ad d it ion,t h ere is a su rprise ph en omen on-t h ere isn*t an y P IN d iod e(n od el in t h e popu lar soft ware P Spico t h at is wid

9、ely u sed in t h e circu it an d elect ron ic d esig n.Owin g t o t h e t wo problems abov e,t h e followin g t h ree aspect s are d iscu ssed in t h is paper:1.Set t in g u p P IN d iod e P h ysics Mod els an d compu t in g t h e paramet ers based on t h e P N ju n ct ion t h eory:2.Usin g t h e La

10、place t ran sform,T ayler expan sion an d Asympt ot ic Wav eform Ev alu at ion(AWE)met h od s,simplit yin g t h e an alysis mod el,obt ain in g t wo simple an d applicable P IN d iod e simu lat ion mod els:3.In t rod u cin g t h e applicat ion s of P IN d iod e in t h e syst em d esig n.B y t h eore

11、t ical an alysis,circu it simu lat ion an d experimen t measu re,t h e P IN d iod e ph ysics mod els are set u p.B ased on t h e t h eory,experimen t an d mat h emat ic an alysis,it h as t h e followin g t h ree ad v an t ag es:wid ely u sed in man y field s,h ig h precise an d fast compu t at ion.W

12、h at is t h e most import an t is t h at it can an alyz e t h e t imin g an d d yn amic ch aract erist ics wit h t h e Au g er effect et c.Of cou rse,it h as 1 imit.B ecau se it is based on t h e larg e in ject in g an d larg e cu rren t t h eory,it is main ly u sed in t h e h ig h-power circu it.Ne

13、v ert h eless,it allows a st raig h t forward implemen t at ion of t h e mod el t h at can be easily u sed by an y u ser of P Spice,wit h ou t t h e n eed of mod ifyin g t h e cod e of t h e simu lat or.B ecau se it s paramet ers are compu t ed an d v erified by P N ju n ct ion t h eory,it can be u

14、sed i n man y field s an d lit t le affect ed by t h e en v i ron men t.T h e on ly t h in g we sh ou ld con sid er is wh et h er it sat isfies t h e assu mpt ion con d it ion s.Key Words:P h ysics Mod elin g P IN d iod e Microwav e P ower elect ron ics semicon d u ct or中南大学硕士学位毕业论文绪论绪论用P IN二极管做微波信号

15、控制，这项技术已有四十多年的历史了。在应用 中，很多技术人员观察到这样的情况：“100亳安之小的直流正向偏流足以导通 一个P IN二极管，使它对电流达到数十安培的微波信号基本上呈短路现象；而-100伏的立流反向偏压则足以保持P IN二极管处于不导通的电容状态，即使加 在P IN二极管上的射频电压峰值高达几千伏时亦是如此J这种现象示于图0-1 中。这种现象非常有用，值得我们仔细研究，因在P IN管上可实现微弱小信号对 大信号的控制作用，它将有效地应用在高频、高压等特殊的应用场合。但是，长 期以来，人们对产生这种现象的根本原因考虑很少，有的想法甚至是不正确的。“二极管导电机构的响应不够快，跟不上波

16、形的变化，因此二极管的阻抗状态由 直流偏置决定。”这是一种惯性理解，并不能说明以上特殊现象，常使人产生误 解。归根到底，问题在于这种惯性模型是一种似是而非、半真半假的理论，它不 能用来解释P IN二极管的实际微波特性和直流偏流的关系，更不可能描述因碰撞 电离而产生载流子的这种现象。它促使一部分技术人员进一步深究P IN二极管的 导电机理，提出更好的模型，解释它的工作特性。这其中包括Lian g叫T at akis 和T sen g”】的宏模型，Vog lel Goebel阳和Met z n ed；的数学解析模型，还有Xu、Krau s：、More/和Yan g：”：的详细物理模型。但是这些模型

17、要么是假设半导体工 作于特定工作条件，应用范围窄，要么需要特别复杂的数字运算，需要很长的计 算机运算时间，再者就没有考虑载流子产生一复合效应等等。集中电荷控制的方法也被用于建立P IN二极管模型，象Lau rit z en”和Mal,v,41 的讨论等等，这些方法给出了一个简单的紧缩模型，但不能忘记的是-他们的 推导是基于均匀半导体电荷分布的。最近，Man t oot h 给出了一个统一的P IN 一.极管模型，并讲述其在Samber仿 真器中的使用，它集成了 Krau s、Yan g和的的模型，使得分析P IN二极管更方 便，更全面。但是，它仅仅讨论了二极管工作特性参数之间的联系，却没有给出

18、 模型参数之间的具体运算方程式。中南大学硕上学位毕业论文绪论总之，以上这些模型根据P IN二极管的工作机理，在特定条件下提出了部分 假设，简化了 P IN管的解析方程，以定量方法解析了 P IN管在特定条件下的工作 情况，清楚解释了 P IN二极管的如下特性。1、零偏和反偏时，P IN二极管具有很高的容抗，能有效隔离信号：2、正偏压下，P IN二极管的正向电阻受电流的控制，就像一个可变电阻器，适 合于信号调制和控制，且电阻几乎不随射频信号的改变而变化：3、P IN二极管具有很高的反向击穿电压，较普通功率二极管在电力领域中有更 大的控制功率；4、P IN管的时序特性；5、P IN管的功率特性。总

19、结各模型的特点可发现，已经建立的P IN二极管模型有如下几个缺点：1、模型缺少理论和实验的综合验证，要么是纯理论分析，要么是经验总结，建 立的模型缺乏一个统一的比较，特别是他们的假设情况各不相同，工作模式 相差极大，对各参数的运算结果缺乏验证和比较。所以，不能得到有机的统 一，给仿真带来了很大难度；2,模型过于抽堀，各方程式没有根据实际情况进行简化，运算起来相当耗费时 间；3、宏模型过于分散，综合性不强，精度不高。虽然宏模型的建立非常适宜于电 路仿真，速度快且模型容易理解，但它导出的途径限制了它的应用。常用的 宏模型多来自于实蛤条件和实验环境，不可能使用宏模型计算特殊特性和预 测奇异性能。虽然

20、Man iooih给出了一个珠合模型，但却没有能给出解析方程式。这一系列 的限制使得P IN二极管的模型不能得到有效的使用。当然，模型的进一步综合和 化筒仍然是一个重要的任务，它对现代化控制技术具有歪要的意义，因P IN二极 管通常工作于高频和高压环境中，而其控制部分又是低频和低压领域的研究，所 以作常行利于在实验环境中预测特殊环境下的工作情况，当然，它的模型也具有 定的难度，因为P IN二极管我流子的运动方程是一个非常复杂和冗长的方程 式，必须进行一定的简化，才能够实现该器件在电路仿真软件中的应用。随着计算机性能的提高和CAD工具的功能进一步强大，逐渐地能够满足在不 损失运算精度的情况下，快

21、速有效地计算器件的工作特性。该论文就是以此为基 础，在现有模型情况下进一步进行深入研究,综合各种情况提高模型的分析精度,减少分析时间。本工作综合了各种模型，给出了相应的控制方程式，这些方程式 都是自理论推导得来的。中南大学硕士学位毕业论文第一章基本理论第一章 基本理论1.1载流子浓度与费米能级无论是本征或杂质半导体，其载流子的浓度以费米能级来表征并遵循玻尔兹 曼关系式。热平衡时载流子浓度为：=M exp(-=n,exp(昂 耳)(l-1-la)kT kTP=N y exp(-=n,exp(瓦 J)(1Mb)kT kTnp=(1.1-2)=Xexp(为(1.1-3)式中，/p,，分别为电子、空穴

22、和本征载流子的浓度；N,=2(2彳)、丁匕为导带底有效态密度(l.l-4a)此=2(2*0 oct?为价带顶有效态密度(l.l-4b)分别是电广和空穴的有效质.盘；女,九7分别为玻尔兹曼常数、普朗 克常数和绝对工作温度；瓦,邑，4(=瓦-,)分别为导带底能级、价带顶能级和禁 带宽度；E,.瓦(=!(瓦+邑)分别为杂带半导体和本征半导体的费米能级。不同的掺杂浓度和工作温度将改变半导体的费米能级。当杂质全部电离时，对N型半导体：EF=E,+kTn 聆(l.l-5a)对户型半导体：NEl：=Er-kT(-)(l-l-5b)式中，N，,N分别为半导体的施主和受主杂质浓度。当半导体有非平衡我流子注入或产

23、生时，载流子浓度以对电子和空穴不同的 准费米能级与和以来表征，并代替L1-l式中的E,。由于非平衡多数载流子浓度 远小于半导体中平衡多子浓度，故多子准费米能级十分接近平衡时的费米能级。只有非平衡少数载流子浓度才会因与平衡少子浓度相差较大而使少子准费米能-3-中南大学硕上学位毕业论文第一章基本理论级与平衡态费米能级有较大的偏离。因此，通常准费米能级指的是少数载流子费 米能级。这时，载流子浓度的乘积公式L1-2变为：pn _ pp=(1.1-6)kT对于半导体中同时有施主和受主杂质的一般情况下，在热平衡状态时，若半 导体是电中性的，而且杂质均匀分布，则空间电荷必须处处为零，因此有：A+N：=o+N

24、；(1-1-7)这就是同时含有一种施主杂质和一种受主杂质情况下的电中性条件。对于N 型和P型半导体，电中性条件分别表示为：%o=N；+P*。(1-1-8)和式中的注脚“0”表示热平衡时的状态，N、N；分别为已全部电离的施主和 受主杂质浓度。1.2载流子运动截流子在半导体内的运动，除了因截流了和互间或与品格间发生碰撞引起的 我流子的复合利产/沙卜，只存在两种运动方式：因技流浓度梯度而发生的扩散 运动(扩散电流)以及在半导体内电场作用下的漂移运动(漂移电流)。因此，半导体中电流密度方咫为：J=4+乙=一 D 韵+(e)(p。-%第,后电子和空穴均以恒定的饱和漂移速度 匕(v“=V,=匕=10，c/

25、n/s)动,&称为速度饱和电场工我流子在半导体内运动，被复合和产生时，载流子的运动遵循连续性方 程。在一维情形下有：中南大学硕士学位毕业论文第一堂基本理论dJ dp n dx dt 对电子：dJn,、，加 Aw、八二+(-e)(五+-g“)=0dx dt rn对空穴：(1.2-4a)鲁+(e)曙+?-8。)=0(1.2-4b)式中，0为载流子电荷浓度；丽,“为非平衡电子和空穴浓度；r.,q分别为非平衡电子和空穴的平均寿命；g“，g,分别为因其它原因引起的电子和空穴浓度的改变，g 0时为产生，g 0时为复合。半导体的电流密度方程和连续性方程合称半导体方程。13掺杂不均匀产生的内建电场半导体掺杂不

26、均匀会在半导体内产生内她电场。因为掺杂不均匀意味着体内 存在我流子浓度梯度，引起扩散运动，使半导体内原有电中性条件被破坏，从而 产生内建电场。内建电场将引起与扩散方向相反的漂移运动，最终保持半导体在 积态时无电流流动的条件。根据电流密度方程1.2-1和连续性方程124可得(以电广为例)：J“=egi,E+D级D 1 dn kT”】n(x)r、i、/n(x)dx e dx式中负号表示出场方向与截流子浓度梯度的扩散运动方向相反。同理，对空穴有E=kT dnp(x)(1.3-lb)e dx它依然是阻止空穴扩散的。总之，这种因掺杂不均匀产生的半导体内建电场，对平衡多子的运动为减速场。但是，对半导体器件

27、中的非平衡少子为加速场，往 往有益于平衡少子的扩散与反向抽取。1.4 泊松方程半导体内的电荷分布直接决定着体内出场的分布。但在空间电荷区内，电荷、电场和电位之间存在着的内在麻系是山泊松方程所表达，它的一维形式为：心，2(1.4.1)dx%明5中南人学硕上学位毕业论文第一章基本理论式中：。为真空介电常数，,为相对介电常数，0（X）为体电荷密度。半导体内的正电荷有空穴和电离施主，负电荷有电子和电离受主，其浓度分 别为P,N%,n和，若考虑N=Nd、NjNa，则电荷体密度为 P=q（p-n+Nl）-N Jc泊松方程决定着PN结耗尽层的性质，因而该方程是分析器件的一个基本方 程。1.5 大电流下的载流

28、子输运（闭本节主要讲述半导体中载流子的运动，但主要是针对大注入时的情况，这时 就必须要考虑注入水平对载流子输运的影响。下面分别解释几个概念：1）迁移率在半导体中，如果存在电场，载流子将在电场作用下速度不断增加，直到载 流于遭受散射为此。在体内，散射机构有两种：晶格散射和电离杂质散射。其结 果是，迁移率就同晶格温度和电离杂质的浓度有关。在电子和空穴的浓度并非同时很大的情况下，上述两种散射机构就占着优 势。若掺杂浓度比较低，则体内自由载流子同晶格振动相互作用而发生的散射占 优势，且随着温度上升，迁移率将减小。室温下，电子和空穴的迁移率随掺杂浓度的变化，可以经验地归纳为如下表 达式：5.10 xl0

29、,8+92/,)=3.75x10”+MJ(1.5-1)、2.90 x IO15+47.7/776 勺(4=5.86x10”+乂/6(32)这两个发达式对分析器件的特性非常有用。同时，迁移率同电场也存在定的关系。在恒定电场情况下，迁移率保持为 常数，我流了的速度将正比于电场强度而线性增加。但是，当电场强度超过 lxlO%/cm时，电子和空穴的迁移率随旧场的增加而增加，速度变慢。当电场强 度增加到某一数值；,时（纥，称为临界电场强度，约等于5x10、/5z）,载流子 获得的能量可与光学声子能量相当。这时载流子可通过发射一个“光学声子”与 品格交换能量，把前一次散射后增加的能量全部交给晶格，因而载流

30、子的漂移速 度可以维持某一定值，称为饱和漂移速度。室温F,硅中电子的饱和漂移速度为 9.9x106cm/s,空穴则为8.4xl（）6c/s。该参数对分析工作在很强电场下的功率 器件特性非常必要。2）双极迁移率与双极扩散系数在大注入条件F,为满足电中性条件，在轻掺杂区中电子和空穴两者的浓度 变得近似相等（=An）.因此，在很高载流子浓度下，很难再单独考虑电子和 空穴的输运过程，而是代之以双极扩散系数和双极迁移率来表示载流子输运。以N型半导体为例，在大注入条件卜，非平衡载流子浓度很高，+山广电广的运动速度比空穴大（，,必），从而导致在载流子扩散方向上由小平衡我流子电荷形成一定的电场。这样，即使不存

31、在外电场，半导体内也总存在一定电场，此时连续性方程中非线性项不可忽略。另一方面，-6-中南大学硕土学位毕业论文第一章基本理论在计算电流时必须同时考虑电子和空穴(多子和少子)的输运。若电子和空穴浓度分别表示为：x(x,/)=nw+An(x,/)(1.5-3)P 0和0时，少子在两侧界面处积累的非平衡少子则是由穿过空荷区 的扩散电流所提供的。当P 0时，同上述情况相反，出现了相反的浓度梯度和 反向扩散电流.经计算得，流过P N结的电流密度为J=4(f)+(x“)=-1)(1.6-3)式中，4=。(牛%)(LJ)L Lp称为反向饱和电流。这就是P N结的电压关系式，其曲线示于图1.6”。结的微 分电

32、导G/P)为：G（V）=A=A-eCT 7 dV kT kT（1.6-5）式中，A为P N结的截面积。图1.6-4中又示出了硅P N结实测特 性，与理论值有一定差异。这是理论上忽 略了产生复合效应和大电流注入时半导 体电阻上的压降以及大口枳累产生的扩 故区压降所致。修正式1.6-3得：J=/、(e力-I)式中，a为修正因子，a-1-2.综上所述，P N结伏安特性的单向导电性由P N结势垒所致；P N结电流是非平衡 图6-4 P N结的伏安特性 少子扩散运动的结果。、_3)PN结电容P N结中存在两种电荷储存。一种是空荷区中施上离子与受主离子电荷储存,另一种是非平衡少子在空荷区两侧扩散区的电荷储

33、存。故此，对P N结的电容也 要分析两种，与空间电荷相关的耗尽层电容和与炉散区非平衡少子电荷相关的扩 散电容。由半导体浓度分布和泊松方程及边界条件求得耗尽层电荷储存和电容分别 为：J I 吧0、，=e4（m+2）r“荔.（匕一夕尸?）（L6-6）m+1（P（乙）（1.6-7）式中：=-m+2-II-中南大学碰上学位本业论文第一章基本理论可见耗尽层电容G.是随外加偏压而变的非线性电容。当pt匕，时，CT 8,显然与实际不符。通常认为Cr(%)超4c。而当时因空荷区消 失，g也就不存在了。扩散电容反映的是加于P N结上的交流电压所引起的非平衡少子在扩散区的 电荷储存效应。当/rl时，P N结呈现的

34、交流电导和扩散电容为C噜将市小芯R 胃停a+历%(1.6-9)Cd=捺J”。+77-/0).PnQ)e(1.6-10)可见扩散电容也是直流偏乐匕的函数，当。1时，扩散电容将随工作频率O 的提高而变小。耗尽展电容Cr与扩散电容C/h线示于图1.6-5中。图L6-5 P N结的电容一电压特性中南大学硕七学位宰业论文第二章PIN管电子输运过程分析第二章 PIN管电子输运过程分析2.1 PIN二极管基本工作原理P IN二极管的结构如图2.1-1所示，两边分别为重掺杂的P+和N+型半导体,中间夹一层电阻率很高的本征半导体I层。因P IN管的使用材料和加工工艺等原 因,1层中含有少量的P型或N型杂质，称为

35、P前管或P W管。本文主要讨论P W 管的工作原理。1)直流电压作用下的工作原 理。-P*兀或u N*户小管杂质分布如图2.1|_一2所示。它实际上是双结二极 管，因兀层含有少量P型杂质，图21/P IN二极管结构所以;rN结是个P N结。零偏时，扩散作用使N层电子向乃层扩散，乃层空穴向N层扩散，在;rN结两边便形成了一 个空间电荷区。因为N层电子浓度远而于江层空穴浓度，故N层的空间电荷层极 薄，而兀层较N层的空间要限得多，整个汗、结的宽度基本上等于乃层空间电荷 层的宽度。而在P/r层交界处，由于杂质浓度的差异，也会产生一些载流子的扩 散运动，但比不N结小得多，整体上可以忽略不计。所以，P“N

36、管在零偏时的空 间电荷分布同P N结一样，在;rN结界而匕 示于图2.1-2(c)中.图2.l-2(d)是 P;rN管中的电场分布。图2.1-2(b)为杂质浓度分布。山图2.1-2(c)可见,整个 I以行两个部分:一部分为空间电荷即耗尽乂,北中我流分为耗尽,电阻率很高：另部 分是产层。其中只仃少其我流广。所以,在零偏小时，P 管呈高阻抗。在加反向偏压时，外加电压产生的电场9内建电场一致，使总电场增加,n、结的空间电荷区变宽，Hl要向九层腿宽。随着反向电压的增大，丸层的空间 电荷不断展宽：当反向偏压加大到某定值时,整个n层变为空间电荷层,呈现 穿通状态，我们称这时的偏压值为“穿通电压二因为穿通状

37、态时枢个兀层变为 耗尽层，全部截流于被消除,所以“穿通电JR”也称为“耗尽电压”或“扫清电 压工当反向偏压人扫清电压时，P n 管的空间电荷及电场分布如图2.1-3(c)和(d)所示。由图可见，P IN管在反偏压时的阻抗值比零偏时的大。加iE向偏压时，P层空穴利、层电/在外电场作用下向n层注入，两者在n 层复合，但由于电源的存在，或流子源源不断地得到补充，注入载流子数目和复 合载流子数目相等时，达到平衡，注入电流达到了稳定值。这时，因“层中储存 大量我流子，使口层电阻率下降，所以，巴N管正向偏压时，呈低阻抗。外加正 偏压愈大，通过P IN管电流愈大，n层电阻就越低。因此，改变P IN管正向偏压

38、，可以改变其电阻值，使P IN管变成一个可变电阻器。P IN管正向导电的实质：是I层中存在大.最符号相反数号相等的我流产，使I层呈“等离状态”：二是电 源将载流子源源不断地由两边向I层注入，然后在I层中复合消失，使电流不能 流过P M管。综上可见，P IN管在直流状态卜同P N结样具有正反向特性，只是因在 P N层中加了 J层，故反偏压时，灯承受比P、结更大的击穿电压，因此可承受较大功率。13-中南大学硕I：学位毕业论文 _ 第二聿PIN管电孑输邈呻逝图2.1-2固偏时P JiN结的杂质、的 图2.1-3手偏时P n N结的杂质、空 间电荷和电场分布 间电荷和电场分布2）交流电压作用下的工作原

39、理P IN管对交流信号所呈现的特性与的号频率和幅度有关.低频段时，由交 流信号周期很大，载流子进出I层的渡越收间与之相比可以忽略。这时,交流信 号正半周的P IN管特性与加正向自流偏压时相同，星低阻抗特性；负半周的特性 与加反向直流偏压时相同,呈高阳抗特性。所以，P H管在低频段与普通同结 二极首相似，具有单向导电性，可用做整流元件.防信号频率的增高，载流子进出I层的渡越时间与交流信号阖期相比不可忽 略时，P IN管的整流作用就逐渐变弱。例如，当侪号从负半周变为逐半周时，正 负我流子从I层两侧注入，但扩散需要定时同，在载流子尚未扩散到【层中间 时，外加信号己山正变负，因此，在正半周J层尚未其正

40、导通：而当信号由正半 周变为负半周时，岐流子向层注入立刻停止，I层中正负载流子由于复合作用 而减少。但由于载流子寿命比交流信号半周期长，留在层中正负我流子还未全 部复合，外加信号就又转到正半周去了，所以在负半周内I层中始终存在一定数 量的F.负载流子，.极管并未达到真正截I匕因此，在频率上升时，特别是在微 波频率F，P IN管根本不能用作整流检波元件，即它对微波频率的正半周和负半 周的响应已经没行显苫区别，可以近似作为线性元件来使用。-14-中南大学硕士学位毕业论文第二章PIN筲电子输运过程分析图2.1-4直流和微波信号同时作用 下的P IN管3)交直流电压作用下的工作原理在高频段，P IN管

41、作控制元件使用 时，基本上工作在直流和微波信号同 时作用状态下，因此，下面讨论交直 流作用下的P IN管特性。先考虑正向偏置的情况。设正向 偏置电流为I”，I层中储存电荷为a,电荷。的数值可这样近似地求得：设 我流子寿命为r,Q。以均匀的速度复 合，在时间r内变为零，则复合电流，即Q o的变化率为Q/r。为了维持Q。不变，则外加偏置电流L应与Q/r相 等，即10-或。=小此式即为I层中储存电荷和正向偏 置电流的关系式，即储存电荷与偏置电 流成正比。现在考虑加入微波信号的怙:况，如图2.1-4所示。设微波信号电流为/,=/,sin(arf),则P IN管上总的瞬时电流为：/()+A sin(d)

42、当微波信号小偏置出流时，无论蔻波信号处JT E半周还是负半周，始 终大专。因此，小信号工作时，正向偏苴P IN管工低阻导通状态。大信号工作 时，Xi 此时从图2.卜4发而上看，似F在微波信号的负半周管子内将无 电流通过，处于截止状态，其实不然，闪为在1“作用下，L层中已储藏电荷Q.,只要微波频率足帔了，即负半周时间足够短，【注中仍储藏行足够的电荷维持管 广的导通状态。例如：设 f=2 Gllz(T=0.5n s),=5 u s,L 尸 OJA,i,=50A,则因 t R条件的I作频率2就较低：而偏流大时，&小,满足上式的工作频率就比较高。2）反向偏置的等效电路-16 中南大学硕上学位隼业论文第

43、二克pin管电子输运过程分析反向偏置时，等效电路较为复杂。当反向电压小于穿通电压时，I层未穿通,且分成耗尽区和非耗尽区两部分。耗尽区用电阻与和电容并联表示，均为耗 尽区电阻，值很小，在几兆欧量级；G为P1或IN结的电容，约等于十分之几 皮法。非耗尽层区用电阻凡和电容C并联表示，其中4约几千欧(非耗尽层含 少量我流子，故电阻此耗尽量小)，电容C,也在十分之几皮法.反向状态等效电 路如图2.2-6所示。图2.2-7示出了一些实际的P IN二极管号-P曲线。Rf(u)Un100010100or,”1Ir-iE向偏置电流(mA)3)等效电路(b)简化电路图2.2-4 P IN管11涵时的等效电路图2.

44、2-5-些P IN二极管的Rf-If曲线(a)(b)(c)反向电压(V)图2.2-6反向偏置时P IN二极管的等效电路 图2.2-7 一些P IN二极管的(a)I层未穿通的等效电路(b)I层未穿通的简 反向偏压与反向电容的化电路(01层穿通时的简化电路 关系曲线为分析方便，将图2.2-6(a)的等效电路简化为图2.2-6(b)所示的串联形式,其中，图为R,X,，K,乂，故仃的并联阻抗为：中南大学颁上学位毕业论文第二黄PIN管电子揄运过程分析-RJXj _-RJX仆户 jXJ _R,X；jR；Xj-jR-XJ _ X；=R；+x；-=/?%;“百-=叶氏(2.2-1)同理，4与X,的并联阻抗为生

45、-尚(2.2-2)&图2.2-6(b)的串联电抗为X,+X,串联电阻为土+生。因 R,凡Y-v 2 V2 y2 y2R,X.R,X,串联电容一+工很小，因R,与，故。_+刍-之土，R,R,J Rt R,R,串联电容几乎不变。反向穿通后，非耗尽层已不存在，等效电路如图2.2-6(c)所示。反向电X1阻(=也近似等于正向电阻，在一些应用中是有利的，即满足了段正反向偏窗的等耗条件。反向电抗只山C,决定。图229 Olson给出的P IN:极管等效电路模型18-中南大学像上学位毕业论文第二京PIN 管电不输运过程分析3）综合P IN管模型及讨论由上述综合分析可得，P IN管在正、反向状态时各呈现低、高

46、阻抗状态，正 偏时，阻抗受正向偏流而变；反偏时，又根据所加反向偏压的大小分为穿通和未 穿通等效电路。由以上讨论归纳出P IN管的综合等效电路，如图2.2-8虚线框中 所示，该图综合了 P IN管中各区的工作特性，能反映P IN管总体管芯结构。同时,因管壳的存在，必然引入封装的寄生参量，其示于图2.2-8虚线框外。其中L 是引线电感，通常为一个纳亨左右；Cp为管壳电容，通常为卜分之几皮法；在 实际应用中应考虑寄生参数的影响。当然，P IN管的精确模型可进一步简化，但 要根据不同的工作条件，简化为正、反向等效电路后可进行计算，但计算过程复 杂、时间长，不适合做电路的模拟分析。同时，大家可以参考图2

47、.2-9所示的 OlsonP IN管模型和图2.2-10中B ill旧的GaAs P IN管模型。这些模型主要 是针对不同的工艺条件和封装形式而异，但管芯部分的计算相似。它们的缺点都 是计算量大，不适合系统的建模与分析，所以需要进一步化简电路，这时需要计 算各参量大小及其在电路中的影响。2.3 P IN管的主要参数I”在电路中，需要根据P【N 管参数来选择器件，因此，下面介绍各参数的计算 以及对控制电路的影响。1）正向电阻当P IN二极管E向偏置时，空穴和电;将从P区和N区注入到I区,并储存 到那里，直至它们通过互相复余产生传导电流。因P、N结高掺杂，假设在P IN 管中，P 1结和1N结为突

48、变结的情况下，设大注入时运动载流子的浓度和注入载 流子的浓度相比可以忽略不计，则I注入到N区的空穴以及注入到P区的电子在 此二区均为重掺杂时也可忽略不计。因此实际上所有注入到I区的载流子都在I 区复合。此外，I区的宽度相对F这个区的空穴和电子的扩散长度来说可以认为很 窄，在这样的条件下，在整个I区的注入我流子的浓度是均匀的。在P I结附近，电流完全由注入【区的空穴形成，而且这个电流等于储存在I区的所有空穴的总 电荷除以寿命。/。=宜=幽 37）对IN结也可得下式:-)9-中南大学颁I:学位毕业论文第二章PIN管电子输运过程分析二Qn二的卬(2.3-2)式中。“是所有储存在I区的电子的总电荷，n

49、是它的浓度，r”是它的寿命。这两种不同的载流子在I区表现为电中性，因此p=n,同时因为他们只互相复合,所以。=工。若我流子在I区内分布是均匀的，则电导率亦到处相等，而且 6=4卬$+4丁)=2为(2.3-3)式中，=(+4,)/2作为空穴和电子的迁移的平均值。因此I区电阻由下 式计算：n W4=7 aA结合式2.3-2和2.3-3得:氏=w2(2.3-4)2M.r式中：W是1层宽度，4是我流J”迁移率，r是我流产寿命，L是偏置电流。I区的电阻与其掺杂无关，相反地却9通过电流L和从两侧注入的载流子浓 度有关。利用这种我流子的注入作用，按照式2.3-3,区电导率受到控制。因 此人们也称之为1区的电

50、导率调制。电流L越大，注入截流子数越多，则电阻 越小。利用这种效应灯以得到一个川口流控制的可变电阻，即所谓可变电阻。此外，正向I区电阻反比反我流子漏而同时与区宽度的平方成正比。因 此，如果冷望获得较小的电ML 则I区4度尽“f能地窄。.2.3-1某P IN管/卜:不同偏置电流卜F.向电阻变化山上表可见，通常的开关电路，L-取刎100mA左右.111 P IN管正向等效电路已知，/?,=4+4,故正向电阻可表示为llt(mA)51()2()251050100R,(Q)7.84.H2.01.5l.O0.80.55R=R+二一，它反映了正向电阻。很大关系。2H好2)反向电阻Rr因P区和N区文仃高的掺