Pin二極管的時(shí)域等效電路模型及建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件的仿真領(lǐng)域，具體涉及一種PIN二極管的時(shí)域等效電路模 型及建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)射頻、微波敏感電子信息系統(tǒng)暴露于電磁脈沖輻射場時(shí)，接收通道中的濾波模 塊、限幅模塊和低噪聲放大模塊會(huì)受到電磁脈沖能量沖擊。根據(jù)目前的電磁脈沖輻射場等 級(jí)，需要重點(diǎn)關(guān)注限幅模塊的性能，因?yàn)橄薹K在電磁脈沖注入時(shí)的時(shí)域響應(yīng)特性（如 啟動(dòng)時(shí)間、泄露電平），決定了接收通道是否會(huì)發(fā)生損傷或者受到何種程度的干擾。為了預(yù) 測(cè)這些效應(yīng)，需要建立可靠的仿真模型。限幅模塊仿真的難點(diǎn)在于PIN二極管的建模。在很 多商用仿真軟件中，只有常規(guī)PN結(jié)二極管的時(shí)域模型，并沒有PIN二極管的時(shí)域模型。為 分析PIN二極管的微波性能，可以采用含有集總參數(shù)元件的等效電路，如正向、反向直流偏 壓下的各種等效電路，但這類等效電路為PIN二極管穩(wěn)態(tài)時(shí)的情況，未能反映出電荷存儲(chǔ) 效應(yīng)的尖峰泄漏與恢復(fù)時(shí)間瞬態(tài)過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種PIN二極管的時(shí)域等效電路模型及建模方法，該模型 及建模方法能解決現(xiàn)有電路級(jí)電磁仿真商業(yè)軟件中的通用二極管仿真模型不能模擬PIN 限幅二極管在電磁脈沖作用下瞬態(tài)響應(yīng)特性的問題。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種PIN二極管的時(shí)域等效電路模型，包括四個(gè)子 電路；
[0005] 子電路1包括封裝電容Cpadi，所述封裝電容Cpadi的一端與輸入端Pl連接，封裝電 容Cpadi的另一端與輸出端P2連接；封裝電容C padi的一端通過引線電感L wira與電阻R _和 受控電流源Gnmd的串聯(lián)連接后再與受控電流源G dl_串聯(lián)；所述電流受控源G dl_與輸出端 P2連接；電阻R_和受控電流源G 串聯(lián)后再與電阻R _并聯(lián)；結(jié)電容C ,串聯(lián)于引線電 感Lwira和輸出端P2之間；
[0006] 子電路2包括受控電壓源E,，所述受控電壓源E,的負(fù)極接地，受控電壓源E ,的正 極依次與電壓源vsl、二極管〇,串聯(lián)后再接地；
[0007] 子電路3包括受控電壓源Eq。，所述受控電壓源Eq。的負(fù)極接地，受控電壓源E q。的 正極與電壓源vS2的負(fù)極連接，電壓源V S2的正極與受控電流源G ^連接后接地；電壓源V S2的 負(fù)極與梯形RC網(wǎng)絡(luò)連接；
[0008] 子電路4包括受控電流源Gq。，所述受控電流源Gq。的負(fù)極接地；受控電流源G q。的 正極與負(fù)載電阻Rq。的一端相連，負(fù)載電阻R q。的另一端接地；電容C q。與電阻G q。并聯(lián)。
[0009] 更進(jìn)一步的方案是，所述子電路2和子電路3中，電壓源vsl和電壓源vS2的值均為 〇 ;子電路2中受控電壓源值等于子電路1中受控電流源G dl_兩端的電壓；
[0010] 子電路1中受控電流源Gdlcide的值等于流經(jīng)子電路2中的二極管D ,管芯的總電流， 也就是等于子電路3中通過電壓源vS2的電流值；
[0011] 子電路3中受控電壓源Eq。的值等于子電路2中通過電壓源vsl的電流值；受控電 流源K的值與子電路2中受控電壓源E ,電壓值的平方成正比，等于V(E ,)2/?，其中Ie是常 數(shù)，等于10 ;
[0012] 子電路4中受控電流源Gq。的值等于子電路3中通過電壓源vS2的電流值，負(fù)載電 阻 Rqc= T，電谷 C q(：= 1。
[0013] 更進(jìn)一步的方案是，所述RC網(wǎng)絡(luò)包括電容Csi，所述電容Csi與電阻R si并聯(lián)后與電 阻Rpi連接后接地；所述電容C S1與電容C S2和電阻R S2的并聯(lián)連接后與電阻R P2連接后接地； 所述電容Cs2與電容C S3和電阻R S3的并聯(lián)連接后與電阻R P3連接后接地。
[0014] 更進(jìn)一步的方案是，Rsi= 1，C S1= τ，Rs2= 5, C S2= τ/5, Rs3= 9, C S3= τ/9， Rpi= T 〇/3，Rp2 = T 0/7，Rp3 = T 0/11 ;
[0015] 其中，τ為PIN二極管少數(shù)載流子壽命，Τ。= w 2/4La2, w是I層厚度，1^是載流子 雙極擴(kuò)散長度。
[0016] 本發(fā)明還提供上述PIN二極管的時(shí)域等效電路模型的建模方法，包括如下步驟：
[0017] 步驟一、利用拉普拉斯變換方法，在s域內(nèi)求解載流子雙極擴(kuò)散方程，得到PIN二 極管電流的解析表達(dá)式；
[0018] 步驟二、利用有理分式逼近方法，將s域內(nèi)PIN二極管電流雙極注入分量的解析表 達(dá)式轉(zhuǎn)化為連分式，再利用s域到頻域變換，將s域連分式轉(zhuǎn)化為頻域連分式，最后由頻域 連分式轉(zhuǎn)化為時(shí)域等效電路，從而完成PIN二極管電流雙極注入分量的電路建模；
[0019] 步驟三、將PIN二極管電流基區(qū)復(fù)合分量用時(shí)域等效電路表示，再結(jié)合步驟二的 PIN二極管電流雙極注入分量的電路化建模，建立PIN二極管電流的電路求解模型；
[0020] 步驟四、建立PIN二極管I層壓降的電路求解模型；
[0021] 步驟五、根據(jù)步驟三的PIN二極管電流的電路求解模型和步驟四的PIN二極管I 層壓降的電路求解模型，建立PIN二極管管芯的等效電路模型；
[0022] 步驟六、建立PIN二極管結(jié)電容模型；
[0023] 步驟七、建立完整的PIN二極管的時(shí)域等效電路模型。
[0024] 本發(fā)明PIN二極管的時(shí)域暫態(tài)等效電路模型能反映出電荷存儲(chǔ)效應(yīng)的尖峰泄漏 與恢復(fù)時(shí)間，從而較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各類信號(hào)作用下PIN二極管的時(shí)域響應(yīng)特征，為敏感電子信 息設(shè)備射頻前端電磁脈沖效應(yīng)預(yù)測(cè)提供手段。本PIN二極管的時(shí)域等效電路模型的建模方 法，建模簡單，能提供準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各類信號(hào)作用下PIN二極管的時(shí)域響應(yīng)特征的PIN二極管的 時(shí)域暫態(tài)等效電路模型。
【附圖說明】
[0025] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：
[0026] 圖1是頻域?qū)Ъ{G (ω)的時(shí)域等效電路；
[0027] 圖2是PIN二極管電流雙極注入分量的時(shí)域等效電路；
[0028] 圖3是PIN二極管電流基區(qū)復(fù)合分量的時(shí)域等效電路；
[0029] 圖4是PIN二極管電流的綜合等效電路；
[0030] 圖5是用于描述PIN二極管I層壓降與二極管電流之間關(guān)系的時(shí)域等效電路；
[0031] 圖6是用于描述PIN二極管I層電荷存儲(chǔ)量與二極管電流之間關(guān)系的等效電路模 型；
[0032] 圖7是用于描述PIN二極管I層壓降與二極管電流之間關(guān)系的等效電路模型；
[0033] 圖8是PIN二極管管芯的等效電路模型；
[0034] 圖9是完整的PIN二極管等效電路模型；
[0035] 圖10是注入到PIN二極管限幅模塊的超寬帶脈沖電壓波形；
[0036] 圖11是實(shí)驗(yàn)得到的超寬帶脈沖注入時(shí)PIN二極管限幅模塊的輸出電壓波形；
[0037] 圖12是仿真得到的超寬帶脈沖注入時(shí)PIN二極管限幅模塊的輸出電壓波形；
[0038] 圖13是注入到PIN二極管限幅模塊的方波脈沖電壓波形；
[0039] 圖14是實(shí)驗(yàn)得到的方波脈沖注入時(shí)PIN二極管限幅模塊的輸出電壓波形；
[0040] 圖15是仿真得到的方波脈沖注入時(shí)PIN二極管限幅模塊的輸出電壓波形。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0042] 參見圖9, 一種PIN二極管的時(shí)域等效電路模型，包括四個(gè)子電路；
[0043] 子電路1描述了 PIN二極管結(jié)電容、封裝電容和引線電感；子電路1還包括了 PIN 二極管管芯的串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，包含I層等效電路以及PN結(jié)等效電路；子電路2和子電路3 與子電路1中的PN結(jié)等效電路相結(jié)合，共同描述了 PIN二極管電流與PN結(jié)壓降之間的關(guān) 系；子電路4和子電路1中的I層等效電路相結(jié)合，共同描述了 PIN二極管電流與I層壓降 之間的關(guān)系。
[0044] 所述子電路1包括封裝電容Cpadi，所述封裝電容Cpadi的一端與輸入端Pl連接，封 裝電容C padi的另一端與輸出端P2連接；封裝電容C padi的一端通過引線電感Lwira與電阻R_ 和受控電流源Gnrod的串聯(lián)連接后再與受控電流源G dl_串聯(lián)；所述電流受控源G dl_與輸出 端P2連接；電阻R_和受控電流源GJf串聯(lián)后再與電阻Rniax并聯(lián)；結(jié)電容C ,串聯(lián)于引線 電感Lwira和輸出端P2之間。
[0045] 所述子電路2包括受控電壓源E,，所述受控電壓源E,的負(fù)極接地，受控電壓源E , 的正極依次與電壓源vsl、二極管〇,串聯(lián)后再接地。
[0046] 所述子電路3包括受控電壓源Eq。，所述受控電壓源Eq。的負(fù)極接地，受控電壓源E q。 的正極與電壓源vS2的負(fù)極連接，電壓源V