CN101118273A - 一种测量pin二极管反向恢复时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量PIN二极管反向恢复时间的方法，包括：A.测量N区少子寿命τ_p，设定正反向峰值电流I_f和I_r的比值；B.将测量出的N区少子寿命τ_p，以及设定的正反向峰值电流I_f和I_r的比值，代入超越方程计算反向电流保持恒定的存储时间t_S和下降时间t_f；C、计算存储时间t_S和下降时间t_f之和，得到反向恢复时间t_off。利用本发明，可以用常规的实验仪器测量反向恢复时间。而用普通方法测量PIN二极管的反向恢复时间，需要正/负极性输出的快边沿脉冲信号源和宽带示波器。同时，本发明简化了测量工序，降低了测量的实现成本。

Description

一种测量PIN二极管反向恢复时间的方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种测量PIN二极管反向恢复时间的方法。

背景技术

近年来，微波单片集成电路(MMIC)技术迅速发展，MMIC开关也广泛应用于毫米波通讯系统。在这类应用中，要求开关具有高的隔离度和低的插入损耗。为实现高隔离和低插损，就要求开关的截止频率更高。砷化镓PIN(GaAs PIN)二极管在毫米波频段比金属-半导体场效应晶体管(MESFET)和高电子迁移率晶体管(HEMT)开关器件的插入损耗更低，而截止频率更高。

反向恢复时间是反应开关反向特性的重要参数。反向恢复时间的定义如图1所示，图1为二极管开关特性示意图。当二极管外加电压突变后，反向电流首先在一段时间内保持不变，然后才逐渐下降达到反向饱和电流。反向电流保持恒定的时间称为存储时间t_s，电流下降到-0.1I_r的时间称为下降时间t_f，t_off＝t_s+t_f即为反向恢复时间。

PIN管有很小的漏电流和很高的击穿电压，但是，PIN二极管的主要缺点是，从开态向反向阻断态转换的过程中有较大的反向恢复电流，正向导通时贮存在漂移区的大量电荷，引起长反向恢复时间，限制了PIN管的开关速度。

目前对于PIN二极管反向恢复时间的测量一般是通过阶跃恢复法，用示波器直接测量存储时间和下降时间得到反向恢复时间。但是，由于此法受到测量仪器的限制，所以此方法具有以下缺点：

1、对信号发生器的要求非常高，要求脉冲前沿小于等于10纳秒，一般常用的信号发生器无法满足要求；

2、要求使用宽带示波器，利用普通示波器无法实现，而宽带示波器成本很高，导致测量的实现成本很高。

3、实现工序复杂，所测量的二极管需要焊接到PCB板上，压焊，并在板上焊接SMA接头和电阻，然后才能用示波器测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种测量PIN二极管反向恢复时间的方法，以实现用常规测量设备得到反向恢复时间，降低测量的实现成本，简化测量工序。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种测量PIN二极管反向恢复时间的方法，该方法包括：

A、测量N区少子寿命τ_p，设定正反向峰值电流I_f和I_r的比值；

B、将测量出的N区少子寿命τ_p，以及设定的正反向峰值电流I_f和I_r的比值，代入超越方程 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)=\frac{I_f}{I_f+I_r}$ 和 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)+\frac{e^{\frac{{-t}_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}}{\sqrt{\mathrm{\π}\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}}=1+0.1\frac{I_r}{I_f},$ 计算反向电流保持恒定的存储时间t_s和下降时间t_f；

C、计算存储时间t_s和下降时间t_f之和，得到反向恢复时间t_off。

步骤A中所述测量N区少子寿命τ_p采用射频法进行测量，所述测量方法具体包括：

用网络分析仪测出PIN二极管的电抗值随频率的变化，得到电抗最小值点对应的角频率，取该电抗最小值点对应角频率的倒数，即得到N区少子的寿命τ_p。

步骤A中所述设定正反向峰值电流I_f和I_r的比值是通过调节输入电压信号来控制实现的。

步骤B中所述超越方程 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)=\frac{I_f}{I_f+I_r}$ 和 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)+\frac{e^{-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{\τp}}}}{\sqrt{\mathrm{\π}\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}}=0.1\frac{I_r}{I_f}+1,$ 通过求解包含时间变量的连续方程 $\frac{\∂p}{\∂t}=D_p\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}-\frac{p}{{\mathrm{\τ}}_p}$ 得到。

(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：

1、利用本发明，通过测量N区少子寿命τ_p，设定正反向峰值电流I_f和I_r比值，然后将测量出的N区少子寿命τ_p，以及设定的正反向峰值电流I_f和I_r的比值，代入超越方程 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)=\frac{I_f}{I_f+I_r}$ 和 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)+\frac{e^{-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{\τp}}}}{\sqrt{\mathrm{\π}\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}}=0.1\frac{I_r}{I_f}+1,$ 计算反向电流保持恒定的存储时间t_s和下降时间t_f，进而计算存储时间t_s和下降时间t_f之和，得到反向恢复时间t_off。

2、利用本发明，不必使用成本很高的特殊的实验仪器，例如正/负极性输出的快边沿脉冲信号源和宽带示波器，使用常规的实验仪器，例如网络分析仪就能够测量反向恢复时间，满足测量的要求，因此，降低了测量的实现成本，而且不需要封装，简化了测量工序。

附图说明

图1为二极管开关特性示意图；

图2为本发明测量PIN二极管反向恢复时间的方法流程图；

图3为本发明测量正反峰值电流的电路图；

图4为本发明在图3所述电路两端所加阶跃信号的示意图。

具体实施方式

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。

本发明的核心思想是：设定正反向峰值电流I_f和I_r的比值，通过测量N区少子寿命τ_p，然后将测量出的N区少子寿命τ_p和设定的正反向峰值电流I_f和I_r的比值代入超越方程 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)=\frac{I_f}{I_f+I_r}$ 和 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)+\frac{e^{-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{\τp}}}}{\sqrt{\mathrm{\π}\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}}=0.1\frac{I_r}{I_f}+1,$ 计算反向电流保持恒定的存储时间t_s和下降时间t_f，进而计算存储时间t_s和下降时间t_f之和，得到反向恢复时间t_off。

由于PIN二极管的本征层并非完全纯净的，而是轻掺杂的N层，且P区浓度高，所用的PIN二极管的I层(本征层)厚度为4um，远大于少子扩散长度，所以可以将PIN二极管等效为P⁺N长二极管。

本发明提供的测量PIN二极管反向恢复时间方法的实现原理如下：

当t≤0，二极管稳定地工作在导通态时， $\frac{{\mathrm{dq}}_n}{\mathrm{dt}}=0,$ 二极管总电流i_D＝I_f，电荷控制方程为：

q_n(t≤0)＝τ_pI_f    (公式1)

其中，q_n为N区的总电荷，τ_p为N区的少子空穴的寿命。

当0≤t(ts时，i_D＝-I_r，电荷控制方程为：

${-I}_r=\frac{q_N}{{\mathrm{\τ}}_p}+\frac{{\mathrm{dq}}_N}{\mathrm{dt}}$ (公式2)

求解公式2所述的电荷控制方程得到存储时间t_s的近似解 $t_s={\mathrm{\τ}}_P\ln \frac{I_f+I_r}{I_r},$ 通过解包含时间变量的连续方程，可以获得存储时间t_s和下降时间t_f的精确解，具体的求解过程如下：

所述包含时间变量的N区少子空穴的连续性方程为：

$\frac{\∂p}{\∂t}=D_p\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}-\frac{p}{{\mathrm{\τ}}_p}$ (公式3)

令 $T=\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_p},$ $X=\frac{x}{L_p},$ 则公式3可变形为：

$\frac{\∂p}{\∂T}=\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂X}^2}-p$ (公式4)

当0≤t≤t_s时，解公式4得：

$p_1=\frac{(J_f+J_r)L_p}{D_p}I(X,\sqrt{T})$ (公式5)

其中， $I(x,z)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^z{e}^{{-u}^2}{e}^{{-x}^2/{4u}^2}\mathrm{du}$

I(0，z)＝erf(z)

J_f和J_r为正、反向空穴流密度当t＝t_s时，P₁＝p₀，p₀为N区的平衡空穴浓度；

又因为 $I(0,\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\τ}}_p}})=\mathrm{erf}\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\τ}}_p}},$ 且 $J_f=\frac{D_p{p}_0}{L_p}$

所以： $\mathrm{erf}\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\τ}}_p}}=\frac{J_f}{J_f+J_r}=\frac{I_f}{I_f+I_r}$

即得到： $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)=\frac{I_f}{I_f+I_r}$ (公式6)

当t＞ts时，解公式4得：

$P_2=\frac{J_f{L}_p}{D_p}[e^{-X}-I(X,\frac{X}{2\sqrt{T}})]$ (公式7)

由公式7得：

$J_2=-D_{p(}\frac{\∂P_2}{\∂X}{)}_{X=0}=J_f[\mathrm{erf}\sqrt{T}+\frac{e^{-T}}{\sqrt{\mathrm{\πT}}}]$ (公式8)

当t＝t_f时，J₂＝J_f+0.1J_r，则

$\mathrm{erf}\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}+\frac{e^{-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{\τp}}}}{\sqrt{\mathrm{\π}\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}}=0.1\frac{J_r}{J_f}+1=0.1\frac{I_r}{I_f}+1$

即得到： $\mathrm{erf}\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}+\frac{e^{-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{\τp}}}}{\sqrt{\mathrm{\π}\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}}=0.1\frac{I_r}{I_f}+1$ (公式9)

进而，推导出包含存储时间t_s和下降时间t_f精确解的超越方程：

$\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)=\frac{I_f}{I_f+I_r}$ (公式6)

$\mathrm{erf}\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}+\frac{e^{-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{\τp}}}}{\sqrt{\mathrm{\π}\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}}=0.1\frac{I_r}{I_f}+1$ (公式9)

根据上述公式6和公式9可知，反向恢复时间与N区少子寿命、正反向峰值电流有关，只要测量出N区少子寿命、正反向峰值电流三个量，即可计算出反向恢复时间。

基于上述原理，图2示出了本发明测量PIN二极管反向恢复时间的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤201：测量N区少子寿命τ_p，设定正反向峰值电流I_f和I_r的比值；

步骤202：将测量出的N区少子寿命τ_p，以及设定的正反向峰值电流I_f和I_r的比值代入超越方程 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\τ}}_p}}\right)=\frac{I_f}{I_f+I_r}$ 和 $\mathrm{erf}\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}+\frac{e^{-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{\τp}}}}{\sqrt{\mathrm{\π}\frac{t_f}{{\mathrm{\τ}}_p}}}=0.1\frac{I_r}{I_f}+1,$ 计算反向电流保持恒定的存储时间t_s和下降时间t_f；

步骤203：计算存储时间t_s和下降时间t_f之和，得到反向恢复时间t_off。

上述步骤201中所述测量N区少子寿命τ_p采用射频法进行测量，具体测量方法包括：用网络分析仪测出PIN二极管的电抗值随频率的变化，得到电抗最小值点对应的角频率，取该电抗最小值点对应角频率的倒数，即得到N区少子的寿命τ_p。

上述测量N区少子寿命τ_p的公式推导如下：假设I区厚度与扩散长度之比 $\frac{W}{L}=2\sqrt{\frac{R_h}{R_l}},$ 其中，R_h为高频下的电阻，R_l为低频下的电阻；当 $\frac{W}{L}<1.5$ 时，少子寿命 $\mathrm{\&tau;}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{f}_{\min }},$ 其中，f_min为容性电抗达到最小值时的频率。具体的理论推导过程可以参考Robert H.Caverly和G.Hiller的“RF techniquefor determining ambipolar carrier lifetime in pin RF switching diodes”，这里就不再赘述。

上述步骤201中所述设定正反向峰值电流I_f和I_r的比值是通过调节输入电压信号来控制实现的，如图3所示，从输入端给一个阶跃信号。输入端和输出端的电压波形图如图4所示。对于设定正、反向电流的峰值的比值，因为I_f＝V_f/R，I_r＝V_r/R，其中，V_f和V_r分别为输入电压的正向值和反向值，所以输入电压可以控制输出的电流。

上述步骤202中所述超越方程 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\&tau;}}_p}}\right)=\frac{I_f}{I_f+I_r}$ 和 $\mathrm{erf}\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\&tau;}}_p}}+\frac{e^{-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{\&tau;p}}}}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}\frac{t_f}{{\mathrm{\&tau;}}_p}}}=0.1\frac{I_r}{I_f}+1,$ 通过求解包含时间变量的连续方程 $\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;t}=D_p\frac{{\&PartialD;}^{2}p}{{\&PartialD;x}^2}-\frac{p}{{\mathrm{\&tau;}}_p}$ 得到，具体求解过程在前文原理部分已经详细阐述，这里就不再赘述。

实验结果：首先采用射频法测量出N区少子寿命τ_p为5.3ns，将正反向峰值电流I_f和I_r的比值设定为1；然后将N区少子寿命τ_p＝5.3ns代入超越方程，得到t_s＝1.2ns，t_f＝2.1ns，最后得到反向恢复时间为t_off＝t_s+t_f＝3.3ns。

以上所述的方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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。

Claims (4)

1.一种测量PIN二极管反向恢复时间的方法，其特征在于，该方法包括：

A、测量N区少子寿命τ_p，设定正反向峰值电流I_f和I_r的比值；

B、将测量出的N区少子寿命τ_p，以及设定的正反向峰值电流I_f和I_r的比值，代入超越方程 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_s}{{\mathrm{\&tau;}}_p}}\right)=\frac{I_f}{I_f+I_r}$ 和 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\&tau;}}_p}}\right)+\frac{e^{\frac{{-t}_f}{{\mathrm{\&tau;}}_p}}}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}\frac{t_f}{{\mathrm{\&tau;}}_p}}}=1+0.1\frac{I_r}{I_f},$ 计算反向电流保持恒定的存储时间t_s和下降时间t_f；

C、计算存储时间t_s和下降时间t_f之和，得到反向恢复时间t_off。

2.根据权利要求1所述的测量PIN二极管反向恢复时间的方法，其特征在于，步骤A中所述测量N区少子寿命τ_p采用射频法进行测量，所述测量方法具体包括：

用网络分析仪测出PIN二极管的电抗值随频率的变化，得到电抗最小值点对应的角频率，取该电抗最小值点对应角频率的倒数，即得到N区少子的寿命τ_p。

3.根据权利要求1所述的测量PIN二极管反向恢复时间的方法，其特征在于，步骤A中所述设定正反向峰值电流I_f和I_r的比值是通过调节输入电压信号来控制实现的。

4.根据权利要求1所述的测量PIN二极管反向恢复时间的方法，其特征在于，步骤B中所述超越方程 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\&tau;}}_p}}\right)=\frac{I_f}{I_f+I_r}$ 和 $\mathrm{erf}\left(\sqrt{\frac{t_f}{{\mathrm{\&tau;}}_p}}\right)+\frac{e^{-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{\&tau;p}}}}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}\frac{t_f}{{\mathrm{\&tau;}}_p}}}=0.1\frac{I_r}{I_f}+1,$ 通过求解包含时间变量的连续方程 $\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;t}=D_p\frac{{\&PartialD;}^{2}p}{\&PartialD;x^2}-\frac{p}{{\mathrm{\&tau;}}_p}$ 得到。

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