專利名稱：一種測量pin二極管反向恢復(fù)時間的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測量PIN二極管反向恢復(fù)時間的方法。

背景技術(shù)：
近年來，微波單片集成電路(MMIC)技術(shù)迅速發(fā)展，MMIC開關(guān)也廣泛應(yīng)用于毫米波通訊系統(tǒng)。在這類應(yīng)用中，要求開關(guān)具有高的隔離度和低的插入損耗。為實現(xiàn)高隔離和低插損，就要求開關(guān)的截止頻率更高。砷化鎵PIN(GaAs PIN)二極管在毫米波頻段比金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)和高電子遷移率晶體管(HEMT)開關(guān)器件的插入損耗更低，而截止頻率更高。
反向恢復(fù)時間是反應(yīng)開關(guān)反向特性的重要參數(shù)。反向恢復(fù)時間的定義如圖1所示，圖1為二極管開關(guān)特性示意圖。當(dāng)二極管外加電壓突變后，反向電流首先在一段時間內(nèi)保持不變，然后才逐漸下降達(dá)到反向飽和電流。反向電流保持恒定的時間稱為存儲時間ts，電流下降到-0.1Ir的時間稱為下降時間tf，toff＝ts+tf即為反向恢復(fù)時間。
PIN管有很小的漏電流和很高的擊穿電壓，但是，PIN二極管的主要缺點是，從開態(tài)向反向阻斷態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中有較大的反向恢復(fù)電流，正向?qū)〞r貯存在漂移區(qū)的大量電荷，引起長反向恢復(fù)時間，限制了PIN管的開關(guān)速度。
目前對于PIN二極管反向恢復(fù)時間的測量一般是通過階躍恢復(fù)法，用示波器直接測量存儲時間和下降時間得到反向恢復(fù)時間。但是，由于此法受到測量儀器的限制，所以此方法具有以下缺點 1、對信號發(fā)生器的要求非常高，要求脈沖前沿小于等于10納秒，一般常用的信號發(fā)生器無法滿足要求； 2、要求使用寬帶示波器，利用普通示波器無法實現(xiàn)，而寬帶示波器成本很高，導(dǎo)致測量的實現(xiàn)成本很高。
3、實現(xiàn)工序復(fù)雜，所測量的二極管需要焊接到PCB板上，壓焊，并在板上焊接SMA接頭和電阻，然后才能用示波器測量。


發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題 針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的主要目的在于提供一種測量PIN二極管反向恢復(fù)時間的方法，以實現(xiàn)用常規(guī)測量設(shè)備得到反向恢復(fù)時間，降低測量的實現(xiàn)成本，簡化測量工序。
(二)技術(shù)方案 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的 一種測量PIN二極管反向恢復(fù)時間的方法，該方法包括 A、測量N區(qū)少子壽命τp，設(shè)定正反向峰值電流If和Ir的比值； B、將測量出的N區(qū)少子壽命τp，以及設(shè)定的正反向峰值電流If和Ir的比值，代入超越方程和計算反向電流保持恒定的存儲時間ts和下降時間tf； C、計算存儲時間ts和下降時間tf之和，得到反向恢復(fù)時間toff。
步驟A中所述測量N區(qū)少子壽命τp采用射頻法進(jìn)行測量，所述測量方法具體包括 用網(wǎng)絡(luò)分析儀測出PIN二極管的電抗值隨頻率的變化，得到電抗最小值點對應(yīng)的角頻率，取該電抗最小值點對應(yīng)角頻率的倒數(shù)，即得到N區(qū)少子的壽命τp。
步驟A中所述設(shè)定正反向峰值電流If和Ir的比值是通過調(diào)節(jié)輸入電壓信號來控制實現(xiàn)的。
步驟B中所述超越方程和通過求解包含時間變量的連續(xù)方程得到。
(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 1、利用本發(fā)明，通過測量N區(qū)少子壽命τp，設(shè)定正反向峰值電流If和Ir比值，然后將測量出的N區(qū)少子壽命τp，以及設(shè)定的正反向峰值電流If和Ir的比值，代入超越方程和計算反向電流保持恒定的存儲時間ts和下降時間tf，進(jìn)而計算存儲時間ts和下降時間tf之和，得到反向恢復(fù)時間toff。
2、利用本發(fā)明，不必使用成本很高的特殊的實驗儀器，例如正/負(fù)極性輸出的快邊沿脈沖信號源和寬帶示波器，使用常規(guī)的實驗儀器，例如網(wǎng)絡(luò)分析儀就能夠測量反向恢復(fù)時間，滿足測量的要求，因此，降低了測量的實現(xiàn)成本，而且不需要封裝，簡化了測量工序。



圖1為二極管開關(guān)特性示意圖； 圖2為本發(fā)明測量PIN二極管反向恢復(fù)時間的方法流程圖； 圖3為本發(fā)明測量正反峰值電流的電路圖； 圖4為本發(fā)明在圖3所述電路兩端所加階躍信號的示意圖。

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(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明的核心思想是設(shè)定正反向峰值電流If和Ir的比值，通過測量N區(qū)少子壽命τp，然后將測量出的N區(qū)少子壽命τp和設(shè)定的正反向峰值電流If和Ir的比值代入超越方程和計算反向電流保持恒定的存儲時間ts和下降時間tf，進(jìn)而計算存儲時間ts和下降時間tf之和，得到反向恢復(fù)時間toff。
由于PIN二極管的本征層并非完全純凈的，而是輕摻雜的N層，且P區(qū)濃度高，所用的PIN二極管的I層(本征層)厚度為4um，遠(yuǎn)大于少子擴(kuò)散長度，所以可以將PIN二極管等效為P+N長二極管。
本發(fā)明提供的測量PIN二極管反向恢復(fù)時間方法的實現(xiàn)原理如下 當(dāng)t≤0，二極管穩(wěn)定地工作在導(dǎo)通態(tài)時，二極管總電流iD＝If，電荷控制方程為 qn(t≤0)＝τpIf(公式1) 其中，qn為N區(qū)的總電荷，τp為N區(qū)的少子空穴的壽命。
當(dāng)0≤t(ts時，iD＝-Ir，電荷控制方程為 (公式2) 求解公式2所述的電荷控制方程得到存儲時間ts的近似解通過解包含時間變量的連續(xù)方程，可以獲得存儲時間ts和下降時間tf的精確解，具體的求解過程如下 所述包含時間變量的N區(qū)少子空穴的連續(xù)性方程為 (公式3) 令則公式3可變形為 (公式4) 當(dāng)0≤t≤ts時，解公式4得 (公式5) 其中， I(0，z)＝erf(z) Jf和Jr為正、反向空穴流密度當(dāng)t＝ts時，P1＝p0，p0為N區(qū)的平衡空穴濃度； 又因為且 所以 即得到(公式6) 當(dāng)t＞ts時，解公式4得 (公式7) 由公式7得 (公式8) 當(dāng)t＝tf時，J2＝Jf+0.1Jr，則 即得到(公式9) 進(jìn)而，推導(dǎo)出包含存儲時間ts和下降時間tf精確解的超越方程 (公式6) (公式9) 根據(jù)上述公式6和公式9可知，反向恢復(fù)時間與N區(qū)少子壽命、正反向峰值電流有關(guān)，只要測量出N區(qū)少子壽命、正反向峰值電流三個量，即可計算出反向恢復(fù)時間。
基于上述原理，圖2示出了本發(fā)明測量PIN二極管反向恢復(fù)時間的方法流程圖，該方法包括以下步驟 步驟201測量N區(qū)少子壽命τp，設(shè)定正反向峰值電流If和Ir的比值； 步驟202將測量出的N區(qū)少子壽命τp，以及設(shè)定的正反向峰值電流If和Ir的比值代入超越方程和計算反向電流保持恒定的存儲時間ts和下降時間tf； 步驟203計算存儲時間ts和下降時間tf之和，得到反向恢復(fù)時間toff。
上述步驟201中所述測量N區(qū)少子壽命τp采用射頻法進(jìn)行測量，具體測量方法包括用網(wǎng)絡(luò)分析儀測出PIN二極管的電抗值隨頻率的變化，得到電抗最小值點對應(yīng)的角頻率，取該電抗最小值點對應(yīng)角頻率的倒數(shù)，即得到N區(qū)少子的壽命τp。
上述測量N區(qū)少子壽命τp的公式推導(dǎo)如下假設(shè)I區(qū)厚度與擴(kuò)散長度之比其中，Rh為高頻下的電阻，Rl為低頻下的電阻；當(dāng)時，少子壽命其中，fmin為容性電抗達(dá)到最小值時的頻率。具體的理論推導(dǎo)過程可以參考Robert H.Caverly和G.Hiller的“RF techniquefor determining ambipolar carrier lifetime in pin RF switching diodes”，這里就不再贅述。
上述步驟201中所述設(shè)定正反向峰值電流If和Ir的比值是通過調(diào)節(jié)輸入電壓信號來控制實現(xiàn)的，如圖3所示，從輸入端給一個階躍信號。輸入端和輸出端的電壓波形圖如圖4所示。對于設(shè)定正、反向電流的峰值的比值，因為If＝Vf/R，Ir＝Vr/R，其中，Vf和Vr分別為輸入電壓的正向值和反向值，所以輸入電壓可以控制輸出的電流。
上述步驟202中所述超越方程和通過求解包含時間變量的連續(xù)方程得到，具體求解過程在前文原理部分已經(jīng)詳細(xì)闡述，這里就不再贅述。
實驗結(jié)果首先采用射頻法測量出N區(qū)少子壽命τp為5.3ns，將正反向峰值電流If和Ir的比值設(shè)定為1；然后將N區(qū)少子壽命τp＝5.3ns代入超越方程，得到ts＝1.2ns，tf＝2.1ns，最后得到反向恢復(fù)時間為toff＝ts+tf＝3.3ns。
以上所述的方法，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測量PIN二極管反向恢復(fù)時間的方法，其特征在于，該方法包括
A、測量N區(qū)少子壽命τp，設(shè)定正反向峰值電流If和Ir的比值；
B、將測量出的N區(qū)少子壽命τp，以及設(shè)定的正反向峰值電流If和Ir的比值，代入超越方程和計算反向電流保持恒定的存儲時間ts和下降時間tf；
C、計算存儲時間ts和下降時間tf之和，得到反向恢復(fù)時間toff。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量PIN二極管反向恢復(fù)時間的方法，其特征在于，步驟A中所述測量N區(qū)少子壽命τp采用射頻法進(jìn)行測量，所述測量方法具體包括
用網(wǎng)絡(luò)分析儀測出PIN二極管的電抗值隨頻率的變化，得到電抗最小值點對應(yīng)的角頻率，取該電抗最小值點對應(yīng)角頻率的倒數(shù)，即得到N區(qū)少子的壽命τp。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量PIN二極管反向恢復(fù)時間的方法，其特征在于，步驟A中所述設(shè)定正反向峰值電流If和Ir的比值是通過調(diào)節(jié)輸入電壓信號來控制實現(xiàn)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量PIN二極管反向恢復(fù)時間的方法，其特征在于，步驟B中所述超越方程和通過求解包含時間變量的連續(xù)方程得到。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量PIN二極管反向恢復(fù)時間的方法，包括A.測量N區(qū)少子壽命τp，設(shè)定正反向峰值電流If和Ir的比值；B.將測量出的N區(qū)少子壽命τp，以及設(shè)定的正反向峰值電流If和Ir的比值，代入超越方程計算反向電流保持恒定的存儲時間tS和下降時間tf；C、計算存儲時間tS和下降時間tf之和，得到反向恢復(fù)時間toff。利用本發(fā)明，可以用常規(guī)的實驗儀器測量反向恢復(fù)時間。而用普通方法測量PIN二極管的反向恢復(fù)時間，需要正/負(fù)極性輸出的快邊沿脈沖信號源和寬帶示波器。同時，本發(fā)明簡化了測量工序，降低了測量的實現(xiàn)成本。
文檔編號G01R31/26GK101118273SQ20061010411
公開日2008年2月6日 申請日期2006年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者吳茹菲, 張海英, 浩 楊 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所