《pin二极管的工作原理及其应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《pin二极管的工作原理及其应用（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、半导体器件论文 1 题 目 PIN 二极管的工作 原理及其应用 半导体器件论文 2 摘 要 PIN 二极管是一种常见的半导体器件，尤其是在微波、电力等领域有着广泛的应用。PIN 二极管由掺杂浓度很高的 P 型结和 N 型结以及中间夹杂一层本征半导体所构成。因此它会与 PN 型二极管呈现出有些不同的电流电压特性，它体现在正偏、反偏、低频、高频中。本文会在它工作在不同的环境下的工作原理进行定性的分析阐述。 由于 PIN 二极管在不同环境下所呈现的不同特性，使得它在微波领域中多用作微波开关、微波衰减器、微波限幅器中，在电力领域中多用作大功率整流管等。本文会对几个常用的例子进行举例和它的性能进行分析和
2、讨论，其中包括开关和衰减器。 关键词: PIN 二极管；开关电路；衰减器 半导体器件论文 3 目 录 摘 要 . 2 第 1 章 PIN 二极管的工作原理 . 4 1.1 直流状态下 . 4 1.1.1 零偏下 . 4 1.1.2 正偏下 . 4 1.1.3 反偏下 . 5 1.2 交流状态 . 6 1.2.1 低频下 . 6 1.2.2 高频下 . 6 1.3 本章小结 . 6 第 2 章 PIN 二极管的应用 . 7 2.1 高频开关 . 7 2.1.1 基本原理 . 7 2.1.2 关于开关时间的讨论 . 8 2.2 高频电子衰减器 . 8 2.3 本章小结 . 9 结 论 . 10 参
3、考文献 . 11 半导体器件论文 4 第 1 章 PIN 二极管的工作原理 PIN 二极管是在 p 型和 n 型材料之间插入一个本征层构成的，即 PIN 二极管由三层半导体构成：高浓度的P区，高浓度的N区，二者之间的高阻本征 I 区。因 PIN 管的使用材料和加工工艺等原因，I 层中含有少量的 P 型或 N 型杂质，称为P N管或PvN管。其结构如图 1-1。 或vN+P+图 1-1 PIN 二极管结构 1.1 直流状态下 1.1.1 零偏下 PIN 管在零偏时实际上是双结二极管，因 I 层含有少量 P 型杂质，所以 IN 结是个 PN 结。零偏时，扩散作用使 N 层电子向 I 层扩散，I 层
4、空穴向 N 层扩散，在IN 结两边便形成了一个空间电荷区。因为 N 层电子浓度远高于 I 层空穴浓度，故N 层的空间电荷层极薄，而 I 层较 N 层的空间要厚得多，整个 IN 结的宽度基本上等于 I 层空间电荷层的宽度。而在 PI 层交界处，由于杂质浓度的差异，也会产生一些载流子的扩散运动，但比 IN 结小得多，整体上可以忽略不计。所以，PIN 管在零偏时的空间电荷分布同 PN 结一样， 而 I 层有两个部分： 一部分为空间电荷层，即耗尽层，其中载流子已耗尽，电阻率很高；另一部分是 I 层。其中只有少量载流子。所以，在零偏压时，PIN 管呈高阻抗。 1.1.2 正偏下 1.1.2.1 基本分析
5、 加正向偏压时，P 层空穴和 N 层电子在外电场作用下向 I 层注入，两者在 I层复合，但由于电源的存在，载流子源源不断地得到补充，注入载流子数目和复合载流子数目相等时达到平衡，注入电流达到了稳定值。这时，因 I 层中储存大量载流子，使 I 层电阻率下降，所以，PIN 管正向偏压时，呈低阻抗。外加正偏压愈大，通过 PIN 管电流愈大，I 层电阻就越低。通过具体的分析计算可以得到正篇电阻为： 半导体器件论文 5 12R()()22F FkTWWshtgshI qLL 当WL时，22WWshLL，同时1 22WWtgLL，则上式可化简为22F FWRI。如果另50,1FImAs，则可以算出0.44
6、FR 。则可以利用正向电流控制 I 区电阻的性质，可以制成可控衰减器。 1.1.2.2 等效电路 正偏下，PIN 管等效电路如图 1-2 所示。jR为 I 层正偏时的电阻；jC为正偏时结电容和扩散电容之和，但近似等于扩散电容。扩散电容是注入载流子在 I 层边界上产生的储存所引起的电容，远大于结电容。 jRjCsR图 1-2 正偏等效电路 1.1.3 反偏下 1.1.3.1 基本分析 在加反向偏压时，外加电压产生的电场与内建电场一致，使总电场增加，IN结的空间电荷区变宽，且主要向 I 层展宽。随着反向电压的增大，I 层的空间电荷不断展宽：当反向偏压增大到某一定值时，整个 I 层变为空间电荷层，呈
7、现穿通状态，这时的电压称为穿通电压。同时，PIN 管在反偏压时的阻抗值比零偏时的大。 1.1.3.2 等效电路 反向偏置时，等效电路较为复杂。当反向电压小于穿通电压时，I 层未穿通，且分成耗尽区和非耗尽区两部分。耗尽区用电阻jR和电容jC并联表示，jR为耗尽区电阻，值很小，在几兆欧量级；jC为 PI 或 IN 结的电容，约等于十分之几皮法。非耗尽层区用电阻iR，和电容iC并联表示，其中iR约几千欧，电容iC也在十分之几皮法。反向状态等效电路如图 1-3 所示。 半导体器件论文 6 jiX CjjX CjRsRiR图 1-3 反偏等效电路 1.2 交流状态 1.2.1 低频下 PIN 管对交流信
8、号所呈现的特性与信号频率和幅度有关。低频段时，由于交流信号周期很大，载流子进出 I 层的渡越时间与之相比可以忽略。这时，交流信号正半周的 PIN 管特性与加正向良流偏压时相同，呈低阻抗特性：负半周的特性与加反向直流偏压时相同，呈高阻抗特性。所以，PIN 管在低频段与普通 PN 结二极管相似，具有单向导电性，可用做整流元件。 1.2.2 高频下 信号频率增加后，载流子进出 I 层的渡越时间与交流信号周期相比不可忽略，PIN 管的整流作用就逐渐变弱。当信号从负半周变为正半周时，正负载流子从 l 层两侧注入，但扩散需要一定时间，在载流子尚未扩散到 I 层中间时，外加信号已由正变负，因此，在正半周 I
9、 层尚未真正导通；而当信号由正半周变为负半周时，载流子向 I 层注入立刻停比，I 层中正负载流子由于复合作用而减少。但山于载流子寿命比交流信一号半周期长，留在 I 层中正负载流子还未全部复合，外加信号就又转到正半周去了，所以在负半周内工层中始终存在一定数量的正负载流子，二极管并未达到真正截止。因此，在频率上升时，特别是在微波频率下，PIN 管根本不能用作整流检波元件，即它对微波频率的正半周和负半周的响应已经没有显著区别，可以近似作为线性元件来使用。 1.3 本章小结 本章主要介绍了 PIN 二极管的结构和在直流、 交流状态下的工作原理。 在直流状态下有分为零偏、正偏和反偏；交流下又以低频和高频
10、为界限进行分析。半导体器件论文 7 第 2 章 PIN 二极管的应用 2.1 高频开关 2.1.1 基本原理 PIN 二极管可以用作高频开关，它优于简单的 PN 结二极管。因为在它承受正向电压时，由于存贮作用它能承受大的高频电流；在反向，由于具有宽的 I 区能承受高的电压，因而能开关高的功率。这时候，它和普通的 PN 结二极管的不同之处还在于无论在正向还是反向对于大的高频幅度都具有线性的特性。相对于铁氧体开关来说，它具有较快的开关速度和只需要较小的控制功率。 图 2-1 是 PIN 二极管用作电调谐波段转换的电原理图。 当转换电压为正时， 有电流fI流过 PIN 管，若fI10mA，则fR将小于0.7，这时，2L、3L通过 PIN 管及电容 C 被短路。当转换电压为负时，二极管阻抗大于20k，2L、3L接入回路。图 2-2 是 P IN 二极管用作天线转换开关的电路，
