PIN型二極管基礎(chǔ)知識(shí)

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)橛斜菊鳎↖ntrinsic）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開關(guān)二極管。

微波開關(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 二極管的直流伏安特性和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，接近于開路。因此PIN 二極對(duì)微波信號(hào)不產(chǎn)生非線性整流作用，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)用于高頻開關(guān)（即微波開關(guān)）、移相、調(diào)制、限幅等電路中。

工作原理

因?yàn)?PIN二極管的射頻電阻與直流偏置電流有關(guān)，所以它可以用作為射頻開關(guān)和衰減器。串聯(lián)射頻開關(guān)電路：當(dāng)二極管正偏時(shí)，即接通（短路）；當(dāng)二極管零偏或者反偏時(shí)，不僅開關(guān)的最高工作頻率會(huì)受到限制，最低工作頻率也會(huì)受到限制，如PIN管就不能控制直流或低頻信號(hào)的通斷。受管子截止頻率的影響，開關(guān)還有一個(gè)上限工作頻率。要求開關(guān)的頻帶盡量寬，因?yàn)樾盘?hào)源的頻帶越來越寬。

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，我們假設(shè)I區(qū)域中電子與空穴分布對(duì)稱且分布密度相同。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)斷過程。此過程可分為兩個(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)氖剑?0）解得τa，最后由式（7）決定參數(shù)T。

考慮參數(shù)

1. 插入損耗：開關(guān)在導(dǎo)通時(shí)衰減不為零，稱為插入損耗

2. 隔離度：開關(guān)在斷開時(shí)其衰減也非無窮大，稱為隔離度

3. 開關(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)過程，這個(gè)過程所需時(shí)間

4. 承受功率： 在給定的工作條件下，微波開關(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。 開關(guān)分類：反射式和吸收式， 吸收式開關(guān)的性能較反射式開關(guān)優(yōu)良。

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