PIN二极管

PIN二极管 普通的二极管由PN结组成.在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层,组成的这种P-I-N结构的二极管就是 PIN 二极管。正因为有本征(Intrinsic)层的存在，PIN 二极管应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在RF领域，用作RF 开关和RF保护电路，也有用作光电二极管(PhotoDiode)。PIN 二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。 微波开关利用PIN管在直流正,反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性,实现了控制微波信号通道转换作用. PIN 二极的直流伏安特性和PN结二极管是一样的，但是在微波频段却有根本的差别。由于PIN 二极I层的总电荷主要由偏置电流产生。而不是由微波电流瞬时值产生，所以其对微波信号只呈现一个线性电阻。此阻值由直流偏置决定，正偏时阻值小，接近于短 路，反偏时阻值大，接近于开路。因此PIN 二极对微波信号不产生肥线性整流作用，这是和一般二极管的根本区别，所以它很适合于做微波控制器件。 因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关(即微波开关)、移相、调制、限幅等电路中。 PIN二极管的特性: 加负电压(或零偏压)时，PIN管等效为电容+电阻;加正电压时，PIN管等效为小电阻。用改变结构尺寸及选择PIN二极管参数的方法，使短路的阶 梯脊波导的反射相位(基准相位)与加正电压的PIN管控制的短路波导的反射相位相同。还要求加负电压(或0偏置)的PIN管控制的短路波导的反射相位与标 准相位相反(-164?,+164?之间即可)。 图1给出了PIN二极管在正向导通时的电荷分布情况(为简化起见，我们假设I区域中电子与空穴分布对称且分布密度相同(设x,,d处的空穴分布密度 为p1，在,,d,0,区域中的剩余空穴电荷为q2，且位于x,,d,2处，这样此区域的平均空穴密度为:p2,q2,qAd(这里A为结面积，q为单位 电荷( 图1 PIN二极管的电荷分布 由于P，区域的空穴密度远大于电子密度，这样在x,,d处的电子电流可以忽略(所引起的误差将在下文讨论)(二极管的电流密度可以表示为,9, 其中 Da为扩散常数;Jh为空穴电流密度( 二极管的电流为 电荷q2与电流的关系式为 其中 τa为寿命时间( 式(2)及式(3)描述了二极管的模型，通过定义qE,2q1， qM,2q2及T,d2,2Da，两式可简化为 图2表示了在感性负载时二极管的关断过程(此过程可分为两个阶段:从t,T0到t,T1，二极管处于低阻抗状态，其电压近似为0，在t,T1时刻， 二极管中I区域边缘的剩余电荷变为0，二极管开始呈现高阻抗状态(在式(4)、(5)中令qE,0可得t,T1时刻后二极管的电流为 其中 τ rr由式(7)给出，I rr为反向恢复电流峰值( 图2 反向恢复电流波形 一般情况下，t rr、I rr及测试条件di,dt、I FM均在器件的产品手册上列出(根据式(6)及测试条件，τ rr可由下式获得 其中 a,,di,dt( 根据图2所示的反向电流波形，qM在t?T1阶段的表达式为 当t,T1时，i(T1),,I rr,,qM(T1),T，代入上式得式(10)，τa可由此式解出 然后参数T可由τa、T及τ rr的关系式(7)算出( 从以上的讨论可以看出，该模型的参数可以方便地从产品手册中得到:首先由式(8)计算τ rr，再从式(10)解得τa，最后由式(7)决定参数T。 设计PIN二极管时需主要考虑几个参数 1. 插入损耗:开关在导通时衰减不为零，称为插入损耗 2. 隔离度:开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度 3. 开关时间: 由于电荷的存储效应，PIN管的通断和断通都需要一个过程，这个过程所需时间 4. 承受功率: 在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最大输入功率 5. 电压驻波系数: 仅反映端口输入，输出匹配情况 6. 视频泄漏 7. 谐波: PIN二极管也具有非线性，因而会产生谐波，PIN开关在宽带应用场合，谐波可能落在使用频带内引起干扰. 开关分类:反射式和吸收式， 吸收式开关的性能较反射式开关优良 控制方式:采用TTL信号控制。'1'通'0'断 PIN二极管型号的选择主要是根据所做光功率计的测量范围来确定的。常用的PIN二极管(如FU-15PD)都是小信号工作器件,光敏面不合适,能接收的光功率范围很有限,所以一般不用它做光功率计的探测器。 PIN二极管还可以调节到高频范围。为改善隔离特性，我们可以将两个或多个二极管串联起来，但同时会引起介入损耗的增大。PIN二极管本质上还属于 电流控制的电阻器。为减少介入损耗，它们需要采用大量的直流电源以降低I(本征)区内的电阻率。这显然会影响电池寿命。这种特点，再加上PIN二极管方案 需要大量器件，使得这种技术很难应用于便携手持式产品。