Нелинейно-инерционная модель диода с учетом зависимости времени жизни неравновесных носителей заряда от прямого тока для повышения качества моделирования РЭА

Введение. Адекватное моделирование полупроводниковых приборов с p–n-переходом в обратном смещении представляет проблему. Существующие квазистатические и неквазистатические модели не в состоянии удовлетворительно охарактеризовать зависимость времени жизни неравновесных носителей заряда от плотности тока. Это приводит к большой погрешности (десятки процентов) моделирования на импульсных широкополосных сигналах. Погрешность моделирования объясняется тем, что в существующих моделях время жизни представлено в виде неизменного значения.

Цель работы. Предложить и исследовать эквивалентную схему p–n-перехода, учитывающую зависимость времени жизни неравновесных носителей заряда от прямого тока, с возможностью простой интеграции этой схемы в САПР.

Материалы и методы. Исследование выполнено на примере кремниевого быстровосстанавливающегося диода BAS16J с p–n-переходом, производства Nexperia. Предложена модифицированная модель диода в виде эквивалентной схемы, учитывающая зависимость времени жизни неравновесных носителей заряда от прямого тока p–n-перехода при высоком уровне инжекции.

Результаты. Расхождение между экспериментальной и модельной кривыми не превышает ±9 % при импульсном воздействии на диод. Экстракция параметров в предложенной модели происходит обычными способами из вольт-амперной и вольт-фарадной характеристик диода.

Заключение. Рассмотренная неквазистатическая эквивалентная схема диода представляет большой интерес при проектировании радиоэлектронных устройств, работающих с короткоимпульсными широкополосными сигналами. Представленная модель диода в виде эквивалентной схемы позволяет беспрепятственно реализовать ее в современных САПР на пользовательском уровне.

1. Тогатов B. В., Гнатюк П. А. Метод измерения времени жизни носителей заряда в базовых областях быстродействующих диодных структур // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39, № 3. С. 378–381.

2. Ayaz M., Shafiqul I, Quazi D. M. Modified Ebers-Moll model of magnetic bipolar transistor // IEEE Intern. Conf. on Electron Devices and Solid-State Circuits, Singapore, 01–04 June 2015. IEEE, 2015. P. 812–815. doi: 10.1109/EDSSC.2015.7285242

3. Ebers J. J., Moll J. L. Large-Signal Behavior of Junction Transistors // Proc. of the IRE. 1954. Vol. 42, № 12. P. 1761–1772. doi: 10.1109/JRPROC.1954.274797

4. Complete Time-Domain Diode Modeling: Application to Off-Chip and On-Chip Protection Devices / B. B. M’Hamed, F. Torres, A. Reineix, P. Hoffmann // Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2011. Vol. 53, № 2. P. 349–365. doi: 10.1109/TEMC.2010.2082551

5. Lauritzen P., Ma C. L. A Simple Diode Model with Reverse Recovery // IEEE Trans. Power Electron. 1991. Vol. 6, № 2. P. 188–191. doi: 10.1109/63.76804

6. Yang A. T., Liu Yu, Yao J. T. An Efficient Non-quasi-Static Diode Model for Circuit Simulation // IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 1994. Vol. 13, № 2. P. 231–234. doi: 10.1109/43.259946

7. Tien B., Hu C. Determination of carrier lifetime from rectifier ramp recovery waveform // IEEE Electron Device Lett. 1988. Vol. 9, № 10. P. 553–555. doi: 10.1109/55.17842

8. Лосев Д. В., Бардашов Д. С., Быков А. Г. Возбуждение полупроводникового диода коротким импульсом // Изв. вузов. Физика. 2015. Т. 58, № 8/2. С. 147–150.

9. Айзенштат Г. И., Ющенко А. Ю., Божков В. Г. Переходные процессы в СВЧ-ріn-диодах на арсениде галлия // Изв. вузов. Физика. 2014. Т. 57, № 12. С. 14–19.

10. Variable-resolution simulation of nonlinear power circuits / D. Ali, D. Sairja, P. Chapman, J. Jatskevich // Proc. of 2010 IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems. 2010. P. 2750–2753. doi: 10.1109/ISCAS.2010.5537026

11. Modeling and Simulation of Comprehensive Diode Behavior Under Electrostatic Discharge Stresses / H. Li, M. Miao, Yu. Zhou, J. A. Salcedo, J.-J. Hajjar, K. B. Sundaram // IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. 2019. Vol. 19, № 1. P. 2750– 2753. doi: 10.1109/TDMR.2018.2882454

12. Разработка и исследование СВЧ-ограничителей мощности на основе pin-диодов / А. Ю. Ющенко, Г. И. Айзенштат, Е. А. Монастырев, А. А. Иващенко, А. В. Акимов // Изв. вузов. Физика. 2010. Т. 53, № 9-2. С. 315–319.

13. Understanding and Modeling of Diode Voltage Overshoots During Fast Transient ESD Events / P. Zhihao, D. Schroeder, S. Holland, H. K. Wolfgang // IEEE Transactions on Electron Devices. 2014. Vol. 61, № 8. P. 2750–2753. doi: 10.1109/TED.2014.2330365

14. Improvement of SPICE based ESD Protection Models for I/O Protection Modeling / A. Pak, S. M. Mousavi, D. Pommerenke, G. Maghlakelidze, Ya. Xu // IEEE Intern. Joint EMC/SI/PI and EMC Europe Symp. 2021. Vol. 19, № 1. P. 1006–1011. doi: 10.1109/EMC/SI/PI/EMCEurope52599.2021.9559224

15. Шевченко Г. М., Семенов Э. В. Простая модель зависимости времени жизни неравновесных носителей заряда от прямого тока p–n-перехода // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 32-й Междунар. Крымской конф. / под ред. Ю. Б. Гимпилевича, П. П. Ермолова. Севастополь: СевГУ, 2022. С. 7–8.

16. Семенов Э. В., Малаховский О. Ю. Неквазистатическая модель p–n-перехода без рекурсии на пользовательском уровне // Изв. вузов. Физика. 2019. Т. 62, № 6. С. 151–156.