【转帖】元器件科普之PIN二极管的原理和应用

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一、PIN二极管的原理和结构
一般的二极管是由N型杂质掺杂的半导体材料和P型杂质掺杂的半导体材料直接构成形成PN结。而PIN二极管是在P型半导体材料和N型半导体材料之间加一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层。
PIN二极管的结构图如图1所示，因为本征半导体近似于介质，这就相当于增大了P-N结结电容两个电极之间的距离，使结电容变得很小。其次，P型半导体和N型半导体中耗尽层的宽度是随反向电压增加而加宽的，随着反偏压的增大，结电容也要变得很小。由于I层的存在，而P区一般做得很薄，入射光子只能在I层内被吸收，而反向偏压主要集中在I区，形成高电场区，I区的光生载流子在强电场作用下加速运动，所以载流子渡越时间常量减小，从而改善了光电二极管的频率响应。同时I层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使灵敏度得以提高。

图1  PIN二极管的结构示意图

PIN二极管的基本结构有两种，即平面的结构和台面的结构，如图2所示。对于Si-pin133结二极管，其中I层的载流子浓度很低（约为10cm数量级）电阻率很高、（约为k-cm数量级），厚度W一般较厚（在10～200m之间）；I层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高。
平面结构和台面结构的I层都可以采用外延技术来制作，高掺杂的p+层可以采用热扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。而台面结构二极管还需要进行台面制作（通过腐蚀或者挖槽来实现）。台面结构的优点是：
①去掉了平面结的弯曲部分，改善了表面击穿电压；
②减小了边缘电容和电感，有利于提高工作频率。

图2  PIN二极管的两种结构

二、PIN二极管在不同偏置下的工作状态
1、正偏下
PIN二极管加正向电压时，P区和N区的多子会注入到I区，并在I区复合。当注入载流子和复合载流子相等时，电流I达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低，所以当PIN二极管正向偏置时，呈低阻特性。正向偏压越大，注入I层的电流就越大，I层载流子越多，使得其电阻越小。图3是正偏下的等效电路图，可以看出其等效为一个很小的电阻，阻值在0.1Ω和10Ω之间。

图3  正向偏压下PIN二极管的等效电路图和正向偏压电流与正向阻抗特性曲线图

2、零偏下
当PIN二极管两端不加电压时，由于实际的I层含有少量的P型杂质，所以在IN交界面处，I区的空穴向N区扩散，N区的电子向I区扩散，然后形成空间电荷区。由于I区杂质浓度相比N区很低，多以耗尽区几乎全部在I区内。在PI交界面，由于存在浓度差（P区空穴浓度远远大于I区），也会发生扩散运动，但是其影响相对于IN交界面小的多，可以忽略不计。所以当零偏时，I区由于存在耗尽区而使得PIN二极管呈现高阻状态。
3、反偏下
反偏情况跟零偏时很类似，所不同的是内建电场会得到加强，其效果是使IN结的空间电荷区变宽，且主要是向I区扩展。此时的PIN二极管可以等效为电阻加电容，其电阻是剩下的本征区电阻，而电容是耗尽区的势垒电容。图4是反偏下PIN二极管的等效电路图，可以看出电阻范围在1Ω到100Ω之间，电容范围在0.1pF到10pF之间。当反向偏压过大，使得耗尽区充满整个I区，此时会发生I区穿通，此时PIN管不能正常工作了。

图4  反向偏压下PIN二极管的等效电路图和反向偏压电流与反向电容特性曲线

三、PIN二极管作为射频开关
3.1   工作原理
因为 PIN二极管的射频电阻与直流偏置电流有关，所以它可以用作为射频开关和衰减器。串联射频开关电路：当二极管正偏时，即接通（短路）；当二极管零偏或者反偏时，即可把带宽:不仅开关的最高工作频率会受到限制，最低工作频率也会受到限制，如PI N 管就不能控制直流或低频信号的通断。受管子截止频率的影响,开关还有一个上限工作频率。要求开关的频带尽量宽，因为信号源的频带越来越宽。
3.2   性能参数
插入损耗和隔离度：插入衰减定义为信号源产生的最大资用功率P 与开关导通时负载获得的实际功率P  之比，即P / P 。若开关在关断时负载上的实际功率为P ，则表示隔离度，写成分贝的形式：

根据网络散射参量的定义，有：

理想开关，在断开时衰减无限大，导通时衰减为零，一般只能要求两者比值尽量大。由于PI N 管的阻抗不能减小到零，也不能增大至无限大，所以实际的开关在断开时衰减不是无限大，导通时也不是零，一般只能要求两者的比值应尽量大，开关的导通衰减称插入损耗，断开时的衰减称为隔离度，插入损耗和隔离度是衡量开关质量优劣的基本指标。目标是设计低插入损耗和高隔离的开关。
功率容量：所谓开关的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二极管的功率容量主要受到以下两方面的限制，管子导通时所允许的最大功耗；管子截止时所能承受的最大反向电压，也就是反向击穿电压。如果开关工作的时候超过了这些限制，前者会导致管内温升过高而烧毁；后者会导致I区雪崩击穿。它由开关开、关状态下允许的微波信号功率的较小者决定。大功率下的非线性效应(IIP3 )也是开关的承受功率的一个主要因素，特别是在移动通信基站中。
驱动器的要求：PI N 管开关和FET 开关的驱动电路是不同的，前者需要提供电流偏置，后者则要求有偏压，驱动器好坏是影响开关速度的主要因素之一。
开关速度：指开关开通和关断的快慢，在快速器件中是一个很重要的指标。可以列出I区中的电流方程如下：
开关速度提高到ns量级，通常采用I层很薄的PIN管，因为薄I层中贮存的载流子数量很少，开关时间大大缩短，这种情况下开关时间基本取决于载流子渡越I层的时间，而与载流子寿命无关。提高开关速度也可选用载流子寿命短的管子，增大控制电流的脉冲幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向击穿电压的限制。
电压驻波比(VSWR)：任何在高频信号通道上的元器件不仅会产生插入损耗，也会导致信号传输线上的驻波的增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成的，这种干涉经常是系统中不同部分的阻抗不匹配或者是系统中连接点的阻抗不匹配造成的。
开关比：一个PIN管，在不考虑封装寄生参量时，其正向状态可用正向电阻R1表示，反向状态可以用反向串联电阻R2和I层容抗jXc，串联表示。由于 >>R2，，故反向状态可近似以jXc表示，我们称正反两种状态下阻抗的比值Xc／R1为开关比，用以衡量PIN开关的优劣。如要使开关比增大，则C和R2必须比较小，可以看出，当频率提高时，开关性能降低。
四、总结
本文介绍了PIN二极管的结构和工作原理，同时分析了其在各种偏压下的工作状态以及等效电路，最后对PIN二极管作为射频开关进行了系统的介绍。PIN二极管相比于普通二极管增加了一层本征层（I层），使得其用途及其广泛，尤其是在射频领域和光电探测方面。因此，深入研究PIN二极管的原理和特性是很有意义的。