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PIN二极管的物理机制、仿真模型及其应用研究

丁家峰  
【摘要】: PIN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PIN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,π型或ν型层,即常用的PIN管是PπN或PνN管。 PIN二极管在微波领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PSpice(Personal—Computer SimulatiOn Program With Integrated Circuit EmphasiS)这一广泛流行的电路分析软件中却没有PIN二极管的模型,已有的二极管模型并不能反映PIN管的工作特性。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PN结理论为基础,建立PIN管的物理模型,计算PIN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PIN二极管仿真模型; 3、介绍PIN二极管在系统设计中的一些应用。 经理论计算,电路仿真和实验测定,本文建立了PIN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PIN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PSpice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。


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