摘 要：提出一種改進的PIN二極管子電路模型。該模型能夠反映PIN二極管的瞬態(tài)開關特性，將基區(qū)電導調(diào)制效應考慮在內(nèi)。通過PSpice軟件瞬態(tài)仿真PIN二極管的正向直流、反向恢復特性。利用該子電路對新型SiC材料PIN二極管建模仿真，仿真結果表明運用新材料對二極管開關性能有顯著提高。

關鍵詞：PIN二極管；電路模型PSpice仿真；碳化硅；瞬態(tài)開關特性

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)06-141-03

A New Power PIN Diode PSpice Subcircuit Model

SHENG Dingyi，YANG Geng，TAN Jichun，YANG Yuchuan

(Science School，National University of Defense Technology，Changsha，410073，China)

Abstract：An improved PIN diode PSpice subcircuit model is proposed in this paper.The model takes into consideration of the conductivity modulation in the base and is able to accurately simulate switching behavior of PIN diodes.PSpice simulation results of PIN diode are presented，including forward V-A characteristic and reverse recovery.The subcircuit is also used to model a new SiC PIN diode.Simulation results indicate that using SiC PIN diodes can greatly improve the switching performance.

Keywords：PIN diode；PSpice simulation；SiC；transient switching characteristics

1 引 言

二極管在電子技術領域是一種必不可少的器件，但是對電路開發(fā)者而言缺少一個這樣的模型，該模型要能準確反映出二極管的瞬態(tài)開關特性和高頻電特性。目前電路模擬廣泛使用的SPice程序中，二極管模型由導通進入關斷狀態(tài)時的特性是跳變曲線，也沒有考慮他的正向恢復特性，不能描述其開關特性。

多年來，國內(nèi)外的研究人員多側重于電力電子應用的PIN二極管的研究^[1-4]，對高開關速度、高擊穿電壓、寬工作頻帶的PIN管的研究較少。本文在文獻[5]的基礎上，提出一種改進的PIN管子電路模型，能夠仿真PIN二極管的瞬態(tài)開關特性，并且探索將這種子電路模型應用于對第三代寬帶隙半導體材料碳化硅(SiC)PIN管的建模。對SiC材料PIN管建模的研究在國內(nèi)還未見相關報道。

2 電路模型

對于一個基區(qū)寬度為ω，摻N型雜質(zhì)的PIN二極管，結構如圖1所示，兩邊的PN結jPI和jIN可以用普通的PN結二極管模擬，關鍵是中間的I層。I層電荷的存儲產(chǎn)生電導調(diào)制效應，他決定了PIN二極管開關的尖鋒泄漏、插入損耗和恢復時間等諸多瞬態(tài)特性。

圖1 PIN二極管結構

式(2)中Z0=τ/(1+sτ)；T0=x2m/Dα；τ代表載流子復合壽命；xm計算中可取ω/2。式(2)所描述的I層電荷存儲關系可以用圖2所示電路網(wǎng)絡來模擬。電壓源Q0驅(qū)動一個梯型RC網(wǎng)絡，輸出即為二極管電流I。

圖2 I層等效電路\\[6\\]

完整的PIN二極管子電路模型還包括用來模擬結jPI和jIN的理想二極管，以及由封裝引入的寄生參量引線電感Lbond和管殼封裝電容Cpack。子電路如圖3所示。

圖3 PIN二極管子電路模型

3 模型的驗證

為了驗證模型的準確性，這里選取AI公司的PIN二極管SMP1352-005進行建模仿真，他是一種表面封裝的雙管反向并聯(lián)PIN管，專為大信號開關應用設計，可以適用在從10 MHz到超過2 GHz的寬頻帶范圍，其主要技術參數(shù)為：I層厚度50 μm，載流子壽命1.5 μs，結電容0.3 pF。由廠家提供的數(shù)據(jù)手冊抽取模型參數(shù)，二極管PSpice子電路模型主要參數(shù)見表1。

表1 PIN二極管子電路模型中部分模型參數(shù)

利用圖3模型通過PSpice仿真得到PIN二極管正向直流伏安特性如圖4所示。圖中對正向電流使用對數(shù)坐標顯示了從10～100 mA電流范圍的仿真情況。仿真結果與實際器件特性相符合得很好。數(shù)據(jù)手冊給出25 ℃時在10 mA正向電流下測得的電壓為0.8 V，這個值與圖4(a)一致，但是比圖4(b)給出的值大了0.02 V左右。稍微的誤差可能來自仿真電路參數(shù)與廠家測試條件不一致。圖5給出了PIN二極管的反向恢復電流。

圖4 PIN二極管直流伏安特性

圖5 PIN二極管反向恢復電流

4 SiC功率PIN二極管建模仿真

借助于現(xiàn)代微電子技術的長足發(fā)展，以硅器件為基礎的電力電子技術已臻于成熟。目前，這些器件的開關性能已隨其結構設計和制造工藝的完善而接近其由材料特性決定的理論極限，依靠硅器件繼續(xù)完善和提高電力電子裝置與系統(tǒng)性能的潛力已十分有限。在功率半導體器件領域目前發(fā)展最快也極具應用前景的材料是以碳化硅為代表的第三代寬帶隙半導體材料。碳化硅的擊穿電場強度是硅的8倍，熱導率性能是硅的3倍，其電子飽和漂移速度也是硅的2倍，更有利于提高器件的抗輻射性能，熱穩(wěn)定性以及工作頻率^[7]。

仍然考慮一個I層厚度50 μm的6H-SiC材料PIN二極管，其禁帶寬度3 eV，極限擊穿場強取Ec=1.2×106 V#8226;cm-1，載流子壽命140 ns，內(nèi)建電勢差為1.3 V。由式VB=w#8226;Ec/2，和ND=ε#8226;E2c/2qVB得到管子的反向擊穿電壓3 000 V，漂移區(qū)雜質(zhì)濃度約1015cm-3[5，6，12]。對圖3模型用6H-SiC物理性質(zhì)參數(shù)修改后仿真得到碳化硅器件的正向伏安特性和反向恢復特性分別如圖6和圖7所示。

圖6 6H-SiC PIN二極管正向伏安特性

圖7 6H-SiC PIN二極管反向恢復電流

圖6顯示管子導通電壓在1 V左右。圖7顯示在反向電壓800 V，管子由正向?qū)?正向電流9 A)進入反向截止的反向恢復時間約為200 ns，峰值反向電流在10 A左右。因為第三代半導體材料生長與器件制造工藝存在諸多困難，有生產(chǎn)能力的企業(yè)很少，商用SiC功率PIN二極管在市場上還不多見。模型的準確性雖然缺少實際器件來驗證，但此處SiC功率PIN二極管模型是圖3建模方法的合理推廣，仿真結果能夠反映出二極管的瞬態(tài)開關特性，為SiC功率PIN二極管的研究提供了一個新方法。

5 結 語

一個準確的二極管模型對電路仿真至關重要，他影響到電路功率損耗的計算，預估電路電磁兼容性，還有對瞬態(tài)開關性能的評價。本文通過對PIN二極管建立PSpice子電路模型，提供了一種新的研究功率PIN二極管的方法。本文的子電路模型同樣適用其他型號的PIN二極管，只需對相應參數(shù)做修改即可。

探索了對第三代寬帶隙半導體材料碳化硅PIN二極管的建模。模型能夠在一定程度反映出二極管的瞬態(tài)開關特性，具有一定的借鑒意義。

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作者簡介

盛定儀 男，1982年出生，碩士生，湖北潛江人。主要研究方向為微波器件設計與仿真、電子系統(tǒng)加固。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。