PIN二极管的工作原理及其应用

第 1 章 PIN 二极管的工作原理 ....................................................................................... 4
第 2 章 PIN 二极管的应用 ............................................................................................... 7 2.1 高频开关 ............................................................................................................. 7 2.1.1 基本原理 .................................................................................................. 7 2.1.2 关于开关时间的讨论 .............................................................................. 8 2.2 高频电子衰减器 ................................................................................................. 8 2.3 本章小结 ............................................................................................................. 9 结 论 .............................................................................................................................. 10 参考文献 .......................................................................................................................... 11
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目
摘
录
要 ............................................................................................................................ 2 1.1 直流状态下 ......................................................................................................... 4 1.1.1 零偏下 ...................................................................................................... 4 1.1.2 正偏下 ...................................................................................................... 4 1.1.3 反偏下 ...................................................................................................... 5 1.2 交流状态 ............................................................................................................. 6 1.2.1 低频下 ...................................................................................................... 6 1.2.2 高频下 ...................................................................................................... 6 1.3 本章小结 ............................................................................................................. 6
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RF
2kT W W sh( )tg 1[ sh( )] IF q 2L 2L
W2 W W W 1 W 当 W L 时， sh ，同时 tg ，则上式可化简为 RF 。 2 I F 2L 2L 2L 2L
如果另 I F 50mA, 1 s ，则可以算出 RF 0.44 。则可以利用正向电流控制 I 区 电阻的性质，可以制成可控衰减器。 1.1.2.2 等效电路 正偏下，PIN 管等效电路如图 1-2 所示。 R j 为 I 层正偏时的电阻； C j 为正偏 时结电容和扩散电容之和， 但近似等于扩散电容。扩散电容是注入载流子在 I 层边 界上产生的储存所引起的电容，远大于结电容。
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第 1 章 PIN 二极管的工作原理
PIN 二极管是在 p 型和 n 型材料之间插入一个本征层构成的，即 PIN 二极管 由三层半导体构成：高浓度的 P 区，高浓度的 N 区，二者之间的高阻本征 I 区。 因 PIN 管的使用材料和加工工艺等原因，I 层中含有少量的 P 型或 N 型杂质，称 为 P N 管或 PvN 管。其结构如图 1-1。
1.1.2ห้องสมุดไป่ตู้正偏下
1.1.2.1 基本分析 加正向偏压时，P 层空穴和 N 层电子在外电场作用下向 I 层注入，两者在 I 层复合，但由于电源的存在，载流子源源不断地得到补充，注入载流子数目和复 合载流子数目相等时达到平衡，注入电流达到了稳定值。这时，因 I 层中储存大量 载流子，使 I 层电阻率下降，所以，PIN 管正向偏压时，呈低阻抗。外加正偏压愈 大，通过 PIN 管电流愈大，I 层电阻就越低。通过具体的分析计算可以得到正篇电 阻为：
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题
目
PIN 二极管的工作 原理及其应用
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摘
要
PIN 二极管是一种常见的半导体器件，尤其是在微波、电力等领域有着广泛 的应用。PIN 二极管由掺杂浓度很高的 P 型结和 N 型结以及中间夹杂一层本征半 导体所构成。因此它会与 PN 型二极管呈现出有些不同的电流电压特性，它体现 在正偏、反偏、低频、高频中。本文会在它工作在不同的环境下的工作原理进行 定性的分析阐述。 由于 PIN 二极管在不同环境下所呈现的不同特性，使得它在微波领域中多用 作微波开关、微波衰减器、微波限幅器中，在电力领域中多用作大功率整流管等。 本文会对几个常用的例子进行举例和它的性能进行分析和讨论，其中包括开关和 衰减器。 关键词: PIN 二极管；开关电路；衰减器
P+
π或v
N+
图 1-1 PIN 二极管结构
1.1 直流状态下
1.1.1 零偏下
PIN 管在零偏时实际上是双结二极管，因 I 层含有少量 P 型杂质，所以 IN 结 是个 PN 结。零偏时，扩散作用使 N 层电子向 I 层扩散，I 层空穴向 N 层扩散，在 IN 结两边便形成了一个空间电荷区。因为 N 层电子浓度远高于 I 层空穴浓度，故 N 层的空间电荷层极薄，而 I 层较 N 层的空间要厚得多，整个 IN 结的宽度基本上 等于 I 层空间电荷层的宽度。而在 PI 层交界处，由于杂质浓度的差异，也会产生 一些载流子的扩散运动，但比 IN 结小得多，整体上可以忽略不计。所以，PIN 管 在零偏时的空间电荷分布同 PN 结一样， 而 I 层有两个部分： 一部分为空间电荷层， 即耗尽层，其中载流子已耗尽，电阻率很高；另一部分是 I 层。其中只有少量载流 子。所以，在零偏压时，PIN 管呈高阻抗。
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Rs
X j Ci
Rj
X jC j
Ri
图 1-3 反偏等效电路
1.2 交流状态
1.2.1 低频下
PIN 管对交流信号所呈现的特性与信号频率和幅度有关。低频段时，由于交流 信号周期很大，载流子进出 I 层的渡越时间与之相比可以忽略。这时，交流信号正 半周的 PIN 管特性与加正向良流偏压时相同，呈低阻抗特性：负半周的特性与加 反向直流偏压时相同，呈高阻抗特性。所以，PIN 管在低频段与普通 PN 结二极管 相似，具有单向导电性，可用做整流元件。
Rs
Cj
Rj
图 1-2 正偏等效电路
1.1.3 反偏下
1.1.3.1 基本分析 在加反向偏压时，外加电压产生的电场与内建电场一致，使总电场增加，IN 结的空间电荷区变宽，且主要向 I 层展宽。随着反向电压的增大，I 层的空间电荷 不断展宽：当反向偏压增大到某一定值时，整个 I 层变为空间电荷层，呈现穿通状 态，这时的电压称为穿通电压。同时，PIN 管在反偏压时的阻抗值比零偏时的大。 1.1.3.2 等效电路 反向偏置时，等效电路较为复杂。当反向电压小于穿通电压时，I 层未穿通， 且分成耗尽区和非耗尽区两部分。耗尽区用电阻 R j 和电容 C j 并联表示，R j 为耗尽 区电阻，值很小，在几兆欧量级； C j 为 PI 或 IN 结的电容，约等于十分之几皮法。 非耗尽层区用电阻 Ri ，和电容 Ci 并联表示，其中 Ri 约几千欧，电容 Ci 也在十分之 几皮法。反向状态等效电路如图 1-3 所示。
1.3 本章小结
本章主要介绍了 PIN 二极管的结构和在直流、 交流状态下的工作原理。 在直流 状态下有分为零偏、正偏和反偏；交流下又以低频和高频为界限进行分析。
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第 2 章 PIN 二极管的应用
2.1 高频开关
2.1.1 基本原理
PIN 二极管可以用作高频开关，它优于简单的 PN 结二极管。因为在它承受正 向电压时，由于存贮作用它能承受大的高频电流；在反向，由于具有宽的 I 区能承 受高的电压，因而能开关高的功率。这时候，它和普通的 PN 结二极管的不同之处 还在于无论在正向还是反向对于大的高频幅度都具有线性的特性。相对于铁氧体 开关来说，它具有较快的开关速度和只需要较小的控制功率。 图 2-1 是 PIN 二极管用作电调谐波段转换的电原理图。 当转换电压为正时， 有 电流 I f 流过 PIN 管，若 I f >10mA，则 R f 将小于 0.7 ，这时， L2 、 L3 通过 PIN 管 及电容 C 被短路。当转换电压为负时，二极管阻抗大于 20k ， L2 、 L3 接入回路。 图 2-2 是 P IN 二极管用作天线转换开关的电路，用这种二极管使得隔离特性好， 插入损耗也小。
1.2.2 高频下
信号频率增加后，载流子进出 I 层的渡越时间与交流信号周期相比不可忽略， PIN 管的整流作用就逐渐变弱。当信号从负半周变为正半周时，正负载流子从 l 层 两侧注入，但扩散需要一定时间，在载流子尚未扩散到 I 层中间时，外加信号已由 正变负，因此，在正半周 I 层尚未真正导通；而当信号由正半周变为负半周时，载 流子向 I 层注入立刻停比，I 层中正负载流子由于复合作用而减少。但山于载流子 寿命比交流信一号半周期长， 留在 I 层中正负载流子还未全部复合，外加信号就又 转到正半周去了，所以在负半周内工层中始终存在一定数量的正负载流子，二极 管并未达到真正截止。因此，在频率上升时，特别是在微波频率下，PIN 管根本不 能用作整流检波元件，即它对微波频率的正半周和负半周的响应已经没有显著区 别，可以近似作为线性元件来使用。