元器件科普之PIN二極管的原理和應用

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一、PIN二極管的原理和結構

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

PIN二極管的結構圖如圖1所示，因為本征半導體近似于介質，這就相當于增大了P-N結結電容兩個電極之間的距離，使結電容變得很小。其次，P型半導體和N型半導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，結電容也要變得很小。由于I層的存在，而P區一般做得很薄，入射光子只能在I層內被吸收，而反向偏壓主要集中在I區，形成高電場區，I區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。同時I層的引入加大了耗盡區，展寬了光電轉換的有效工作區域，從而使靈敏度得以提高。

圖1  PIN二極管的結構示意圖

PIN二極管的基本結構有兩種，即平面的結構和臺面的結構，如圖2所示。對于Si-pin133結二極管，其中I層的載流子濃度很低（約為10cm數量級）電阻率很高、（約為k-cm數量級），厚度W一般較厚（在10～200m之間）；I層兩邊的p型和n型半導體的摻雜濃度通常很高。

平面結構和臺面結構的I層都可以采用外延技術來制作，高摻雜的p+層可以采用熱擴散或者離子注入技術來獲得。平面結構二極管可以方便地采用常規的平面工藝來制作。而臺面結構二極管還需要進行臺面制作（通過腐蝕或者挖槽來實現）。臺面結構的優點是：

①去掉了平面結的彎曲部分，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2  PIN二極管的兩種結構

二、PIN二極管在不同偏置下的工作狀態

1、正偏下

PIN二極管加正向電壓時，P區和N區的多子會注入到I區，并在I區復合。當注入載流子和復合載流子相等時，電流I達到平衡狀態。而本征層由于積累了大量的載流子而電阻變低，所以當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和正向偏壓電流與正向阻抗特性曲線圖

2、零偏下

當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，所以在IN交界面處，I區的空穴向N區擴散，N區的電子向I區擴散，然后形成空間電荷區。由于I區雜質濃度相比N區很低，多以耗盡區幾乎全部在I區內。在PI交界面，由于存在濃度差（P區空穴濃度遠遠大于I區），也會發生擴散運動，但是其影響相對于IN交界面小的多，可以忽略不計。所以當零偏時，I區由于存在耗盡區而使得PIN二極管呈現高阻狀態。

3、反偏下

反偏情況跟零偏時很類似，所不同的是內建電場會得到加強，其效果是使IN結的空間電荷區變寬，且主要是向I區擴展。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電阻，而電容是耗盡區的勢壘電容。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。當反向偏壓過大，使得耗盡區充滿整個I區，此時會發生I區穿通，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

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，所以它可以用作為射頻開關和衰減器。串聯射頻開關電路：當二極管正偏時，即接通（短路）；當二極管零偏或者反偏時，即可把帶寬:不僅開關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PI N 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,開關還有一個上限工作頻率。要求開關的頻帶盡量寬，因為信號源的頻帶越來越寬。

3.2   性能參數

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

根據網絡散射參量的定義，有：

理想開關，在斷開時衰減無限大，導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，所以實際的開關在斷開時衰減不是無限大，導通時也不是零，一般只能要求兩者的比值應盡量大，開關的導通衰減稱插入損耗，斷開時的衰減稱為隔離度，插入損耗和隔離度是衡量開關質量優劣的基本指標。目標是設計低插入損耗和高隔離的開關。

功率容量：所謂開關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。如果開關工作的時候超過了這些限制，前者會導致管內溫升過高而燒毀；后者會導致I區雪崩擊穿。它由開關開、關狀態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(IIP3 )也是開關的承受功率的一個主要因素，特別是在移動通信基站中。

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

開關速度：指開關開通和關斷的快慢，在快速器件中是一個很重要的指標。可以列出I區中的電流方程如下：

開關速度提高到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量很少，開關時間大大縮短，這種情況下開關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。提高開關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生插入損耗，也會導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，這種干涉經常是系統中不同部分的阻抗不匹配或者是系統中連接點的阻抗不匹配造成的。

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

四、總結

本文介紹了PIN二極管的結構和工作原理，同時分析了其在各種偏壓下的工作狀態以及等效電路，最后對PIN二極管作為射頻開關進行了系統的介紹。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。