PIN二極管,PIN二極管是什么意思

PIN二極管,PIN二極管是什么意思

普通的二極管由PN結(jié)組成.在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征(Intrinsic)半導(dǎo)體層,組成的這種P-I-N結(jié)構(gòu)的二極管就是PIN 二極管.正因?yàn)橛斜菊?Intrinsic)層的存在，PIN 二極管應(yīng)用很廣泛，從低頻到高頻的應(yīng)用都有，主要用在RF領(lǐng)域，用作RF 開(kāi)關(guān)和RF保護(hù)電路，也有用作光電二極管(PhotoDiode)。PIN 二極管包括PIN光電二極管和PIN開(kāi)關(guān)二極管.

微波開(kāi)關(guān)利用PIN管在直流正,反偏壓下呈現(xiàn)近似導(dǎo)通或斷開(kāi)的阻抗特性,實(shí)現(xiàn)了控制微波信號(hào)通道轉(zhuǎn)換作用. PIN 二極的直流伏安特性和PN結(jié)二極管是一樣的，但是在微波頻段卻有根本的差別。由于PIN 二極I層的總電荷主要由偏置電流產(chǎn)生。而不是由微波電流瞬時(shí)值產(chǎn)生，所以其對(duì)微波信號(hào)只呈現(xiàn)一個(gè)線性電阻。此阻值由直流偏置決定，正偏時(shí)阻值小，接近于短路，反偏時(shí)阻值大，接近于開(kāi)路。因此PIN 二極對(duì)微波信號(hào)不產(chǎn)生肥線性整流作用，這是和一般二極管的根本區(qū)別，所以它很適合于做微波控制器件。

因此，可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應(yīng)用于高頻開(kāi)關(guān)（即微波開(kāi)關(guān)）、移相、調(diào)制、限幅等電路中。 PIN二極管的特性:

加負(fù)電壓（或零偏壓）時(shí)，PIN管等效為電容+電阻；加正電壓時(shí)，PIN管等效為小電阻。用改變結(jié)構(gòu)尺寸及選擇PIN二極管參數(shù)的方法，使短路的階梯脊波導(dǎo)的反射相位（基準(zhǔn)相位）與加正電壓的PIN管控制的短路波導(dǎo)的反射相位相同。還要求加負(fù)電壓（或0偏置）的PIN管控制的短路波導(dǎo)的反射相位與標(biāo)準(zhǔn)相位相反（-164°～+164°之間即可）。

圖1給出了PIN二極管在正向?qū)〞r(shí)的電荷分布情況．為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我們假設(shè)I區(qū)域中電子與空穴分布對(duì)稱(chēng)且分布密度相同．設(shè)x＝－d處的空穴分布密度為p1，在［－d,0］區(qū)域中的剩余空穴電荷為q2，且位于x＝－d／2處，這樣此區(qū)域的平均空穴密度為：p2＝q2／qAd．這里A為結(jié)面積，q為單位電荷．

圖1　PIN二極管的電荷分布

由于P＋區(qū)域的空穴密度遠(yuǎn)大于電子密度，這樣在x＝－d處的電子電流可以忽略(所引起的誤差將在下文討論)．二極管的電流密度可以表示為［9］

其中　Da為擴(kuò)散常數(shù)；Jh為空穴電流密度．

二極管的電流為

電荷q2與電流的關(guān)系式為

其中　τa為壽命時(shí)間．

式(2)及式(3)描述了二極管的模型，通過(guò)定義qE＝2q1，　qM＝2q2及T＝d2／2Da，兩式可簡(jiǎn)化為

圖2表示了在感性負(fù)載時(shí)二極管的關(guān)斷過(guò)程．此過(guò)程可分為兩個(gè)階段：從t＝T0到t＝T1，二極管處于低阻抗?fàn)顟B(tài)，其電壓近似為0，在t＝T1時(shí)刻，二極管中I區(qū)域邊緣的剩余電荷變?yōu)?，二極管開(kāi)始呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)．在式(4)、(5)中令qE＝0可得t＝T1時(shí)刻后二極管的電流為

其中　τ?rr由式(7)給出，I?rr為反向恢復(fù)電流峰值．

圖2　反向恢復(fù)電流波形

一般情況下，t?rr、I?rr及測(cè)試條件di／dt、I?FM均在器件的產(chǎn)品手冊(cè)上列出．根據(jù)式(6)及測(cè)試條件，τ?rr可由下式獲得

其中　a＝－di／dt．

根據(jù)圖2所示的反向電流波形，qM在t≤T1階段的表達(dá)式為

當(dāng)t＝T1時(shí)，i（T1）＝－I?rr＝－qM（T1）／T，代入上式得式(10)，τa可由此式解出

然后參數(shù)T可由τa、T及τ?rr的關(guān)系式(7)算出．

從以上的討論可以看出，該模型的參數(shù)可以方便地從產(chǎn)品手冊(cè)中得到：首先由式(8)計(jì)算τ?rr，再?gòu)氖?10)解得τa，最后由式(7)決定參數(shù)T。

設(shè)計(jì)PIN二極管時(shí)需主要考慮幾個(gè)參數(shù)

1. 插入損耗：開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通時(shí)衰減不為零，稱(chēng)為插入損耗

2. 隔離度：開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)其衰減也非無(wú)窮大，稱(chēng)為隔離度

3. 開(kāi)關(guān)時(shí)間： 由于電荷的存儲(chǔ)效應(yīng)，PIN管的通斷和斷通都需要一個(gè)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程所需時(shí)間

4. 承受功率： 在給定的工作條件下，微波開(kāi)關(guān)能夠承受的最大輸入功率

5. 電壓駐波系數(shù)： 僅反映端口輸入，輸出匹配情況

6. 視頻泄漏

7. 諧波： PIN二極管也具有非線性，因而會(huì)產(chǎn)生諧波，PIN開(kāi)關(guān)在寬帶應(yīng)用場(chǎng)合，諧波可能落在使用頻帶內(nèi)引起干擾. 開(kāi)關(guān)分類(lèi)：反射式和吸收式， 吸收式開(kāi)關(guān)的性能較反射式開(kāi)關(guān)優(yōu)良

控制方式：采用TTL信號(hào)控制。'1'通'0'斷

PIN二極管型號(hào)的選擇主要是根據(jù)所做光功率計(jì)的測(cè)量范圍來(lái)確定的。常用的PIN二極管(如FU-15PD)都是小信號(hào)工作器件,光敏面不合適,能接收的光功率范圍很有限,所以一般不用它做光功率計(jì)的探測(cè)器。

PIN二極管還可以調(diào)節(jié)到高頻范圍。為改善隔離特性，我們可以將兩個(gè)或多個(gè)二極管串聯(lián)起來(lái)，但同時(shí)會(huì)引起介入損耗的增大。PIN二極管本質(zhì)上還屬于電流控制的電阻器。為減少介入損耗，它們需要采用大量的直流電源以降低I（本征）區(qū)內(nèi)的電阻率。這顯然會(huì)影響電池壽命。這種特點(diǎn)，再加上PIN二極管方案需要大量器件，使得這種技術(shù)很難應(yīng)用于便攜手持式產(chǎn)品。