什么是 PIN diode
一个硅面结型二极管,在p型半导体层和n型半导体层之间有一层轻渗杂的本征半导体层。其稠密的P和N掺杂区域被相对厚的高电阻率的本征层(I)所分隔,这是在P区和N区之间夹一层本征半导体(或低浓度杂质的半导体)构造的晶体二极管。
PIN中的I是"本征"意义的英文略语。当其工作频率超过100MHz时,由于少数载流子的存贮效应和"本征"层中的渡越时间效应,其二极管失去整流作用而变成阻抗元件,并且,其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时,"本征"区的阻抗很高;在直流正向偏置时,由于载流子注入"本征"区,而使"本征"区呈现出低阻抗状态。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。它可以开关微波传输线辣且作为微波限制器在系统峰包功率小于100 kW时取代TR(发射和接收)管;它还可以用作可变微波衰减器,和在微波相阵控系统中作为电子控制的快速反应的移相器。
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
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 τrr由式(7)给出,Irr为反向恢复电流峰值.
图2 反向恢复电流波形
一般情况下,trr、Irr及测试条件di/dt、IFM均在器件的产品手册上列出.根据式(6)及测试条件,τrr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)=-Irr=-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τrr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τrr,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。
PIN就是元器件的管脚
输入功率 P是功率 IN是输入