PIN二極管的原理和應(yīng)用

一、PIN二極管的原理和結(jié)構(gòu)

一般的二極管是由N型雜質(zhì)摻雜的半導(dǎo)體材料和P型雜質(zhì)摻雜的半導(dǎo)體材料直接構(gòu)成形成PN結(jié)。而PIN二極管是在P型半導(dǎo)體材料和N型半導(dǎo)體材料之間加一薄層低摻雜的本征(Intrinsic)半導(dǎo)體層。

PIN二極管的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，因為本征半導(dǎo)體近似于介質(zhì)，這就相當(dāng)于增大了P-N結(jié)結(jié)電容兩個電極之間的距離，使結(jié)電容變得很小。其次，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中耗盡層的寬度是隨反向電壓增加而加寬的，隨著反偏壓的增大，結(jié)電容也要變得很小。由于I層的存在，而P區(qū)一般做得很薄，入射光子只能在I層內(nèi)被吸收，而反向偏壓主要集中在I區(qū)，形成高電場區(qū)，I區(qū)的光生載流子在強電場作用下加速運動，所以載流子渡越時間常量減小，從而改善了光電二極管的頻率響應(yīng)。同時I層的引入加大了耗盡區(qū)，展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，從而使靈敏度得以提高。

圖1PIN二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

PIN二極管的基本結(jié)構(gòu)有兩種，即平面的結(jié)構(gòu)和臺面的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。對于Si-pin133結(jié)二極管，其中I層的載流子濃度很低（約為10cm數(shù)量級）電阻率很高、（約為k-cm數(shù)量級），厚度W一般較厚（在10～200m之間）；I層兩邊的p型和n型半導(dǎo)體的摻雜濃度通常很高。

平面結(jié)構(gòu)和臺面結(jié)構(gòu)的I層都可以采用外延技術(shù)來制作，高摻雜的p+層可以采用熱擴(kuò)散或者離子注入技術(shù)來獲得。平面結(jié)構(gòu)二極管可以方便地采用常規(guī)的平面工藝來制作。而臺面結(jié)構(gòu)二極管還需要進(jìn)行臺面制作（通過腐蝕或者挖槽來實現(xiàn)）。臺面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：

①去掉了平面結(jié)的彎曲部分，改善了表面擊穿電壓；

②減小了邊緣電容和電感，有利于提高工作頻率。

圖2PIN二極管的兩種結(jié)構(gòu)

二、PIN二極管在不同偏置下的工作狀態(tài)

1、正偏下

PIN二極管加正向電壓時，P區(qū)和N區(qū)的多子會注入到I區(qū)，并在I區(qū)復(fù)合。當(dāng)注入載流子和復(fù)合載流子相等時，電流I達(dá)到平衡狀態(tài)。而本征層由于積累了大量的載流子而電阻變低，所以當(dāng)PIN二極管正向偏置時，呈低阻特性。正向偏壓越大，注入I層的電流就越大，I層載流子越多，使得其電阻越小。圖3是正偏下的等效電路圖，可以看出其等效為一個很小的電阻，阻值在0.1Ω和10Ω之間。

圖3正向偏壓下PIN二極管的等效電路圖

正向偏壓電流與正向阻抗特性曲線圖

2、零偏下

當(dāng)PIN二極管兩端不加電壓時，由于實際的I層含有少量的P型雜質(zhì)，所以在IN交界面處，I區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向I區(qū)擴(kuò)散，然后形成空間電荷區(qū)。由于I區(qū)雜質(zhì)濃度相比N區(qū)很低，多以耗盡區(qū)幾乎全部在I區(qū)內(nèi)。在PI交界面，由于存在濃度差（P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于I區(qū)），也會發(fā)生擴(kuò)散運動，但是其影響相對于IN交界面小的多，可以忽略不計。所以當(dāng)零偏時，I區(qū)由于存在耗盡區(qū)而使得PIN二極管呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。

3、反偏下

反偏情況跟零偏時很類似，所不同的是內(nèi)建電場會得到加強，其效果是使IN結(jié)的空間電荷區(qū)變寬，且主要是向I區(qū)擴(kuò)展。此時的PIN二極管可以等效為電阻加電容，其電阻是剩下的本征區(qū)電阻，而電容是耗盡區(qū)的勢壘電容。圖4是反偏下PIN二極管的等效電路圖，可以看出電阻范圍在1Ω到100Ω之間，電容范圍在0.1pF到10pF之間。當(dāng)反向偏壓過大，使得耗盡區(qū)充滿整個I區(qū)，此時會發(fā)生I區(qū)穿通，此時PIN管不能正常工作了。

圖4反向偏壓下PIN二極管的等效電路圖和反向偏壓電流與反向電容特性曲線

三、PIN二極管作為射頻開關(guān)

3.1 工作原理

因為 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，即接通（短路）；當(dāng)二極管零偏或者反偏時，不僅開關(guān)的最高工作頻率會受到限制，最低工作頻率也會受到限制，如PIN管就不能控制直流或低頻信號的通斷。受管子截止頻率的影響,開關(guān)還有一個上限工作頻率。要求開關(guān)的頻帶盡量寬，因為信號源的頻帶越來越寬。

3.2 性能參數(shù)

插入損耗和隔離度：插入衰減定義為信號源產(chǎn)生的最大資用功率P 與開關(guān)導(dǎo)通時負(fù)載獲得的實際功率P之比，即P / P 。若開關(guān)在關(guān)斷時負(fù)載上的實際功率為P ，則表示隔離度，寫成分貝的形式：

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)散射參量的定義，有：

理想開關(guān)，在斷開時衰減無限大，導(dǎo)通時衰減為零，一般只能要求兩者比值盡量大。由于PI N 管的阻抗不能減小到零，也不能增大至無限大，所以實際的開關(guān)在斷開時衰減不是無限大，導(dǎo)通時也不是零，一般只能要求兩者的比值應(yīng)盡量大，開關(guān)的導(dǎo)通衰減稱插入損耗，斷開時的衰減稱為隔離度，插入損耗和隔離度是衡量開關(guān)質(zhì)量優(yōu)劣的基本指標(biāo)。目標(biāo)是設(shè)計低插入損耗和高隔離的開關(guān)。

功率容量：所謂開關(guān)的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二極管的功率容量主要受到以下兩方面的限制，管子導(dǎo)通時所允許的最大功耗；管子截止時所能承受的最大反向電壓，也就是反向擊穿電壓。如果開關(guān)工作的時候超過了這些限制，前者會導(dǎo)致管內(nèi)溫升過高而燒毀；后者會導(dǎo)致I區(qū)雪崩擊穿。它由開關(guān)開、關(guān)狀態(tài)下允許的微波信號功率的較小者決定。大功率下的非線性效應(yīng)(IIP3 )也是開關(guān)的承受功率的一個主要因素，特別是在移動通信基站中。

驅(qū)動器的要求：PI N 管開關(guān)和FET 開關(guān)的驅(qū)動電路是不同的，前者需要提供電流偏置，后者則要求有偏壓，驅(qū)動器好壞是影響開關(guān)速度的主要因素之一。

開關(guān)速度：指開關(guān)開通和關(guān)斷的快慢，在快速器件中是一個很重要的指標(biāo)?？梢粤谐鯥區(qū)中的電流方程如下：

開關(guān)速度提高到ns量級，通常采用I層很薄的PIN管，因為薄I層中貯存的載流子數(shù)量很少，開關(guān)時間大大縮短，這種情況下開關(guān)時間基本取決于載流子渡越I層的時間，而與載流子壽命無關(guān)。提高開關(guān)速度也可選用載流子壽命短的管子，增大控制電流的脈沖幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向擊穿電壓的限制。

電壓駐波比(VSWR)：任何在高頻信號通道上的元器件不僅會產(chǎn)生插入損耗，也會導(dǎo)致信號傳輸線上的駐波的增加。駐波是由傳送電磁波與反射波干涉而形成的，這種干涉經(jīng)常是系統(tǒng)中不同部分的阻抗不匹配或者是系統(tǒng)中連接點的阻抗不匹配造成的。

開關(guān)比：一個PIN管，在不考慮封裝寄生參量時，其正向狀態(tài)可用正向電阻R1表示，反向狀態(tài)可以用反向串聯(lián)電阻R2和I層容抗jXc，串聯(lián)表示。由于 >>R2，，故反向狀態(tài)可近似以jXc表示，我們稱正反兩種狀態(tài)下阻抗的比值Xc／R1為開關(guān)比，用以衡量PIN開關(guān)的優(yōu)劣。如要使開關(guān)比增大，則C和R2必須比較小，可以看出，當(dāng)頻率提高時，開關(guān)性能降低。

四、總結(jié)

本文介紹了PIN二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理，同時分析了其在各種偏壓下的工作狀態(tài)以及等效電路，最后對PIN二極管作為射頻開關(guān)進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。PIN二極管相比于普通二極管增加了一層本征層（I層），使得其用途及其廣泛，尤其是在射頻領(lǐng)域和光電探測方面。因此，深入研究PIN二極管的原理和特性是很有意義的。