PIN二极管

由PN结组成的二极管

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。

简介

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 二极管的直流伏安特性和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非线性整流作用，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。

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，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PIN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。

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。

考虑参数

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

其他

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。

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