PIN結(jié)構(gòu)二極管的工作原理

    PIN二極管是在p型和n型材料之間插入一個本征層構(gòu)成的，即PIN二極管由二層半導體構(gòu)成：高濃度的P+區(qū)，高濃度的N+區(qū)，二者之間的高阻本征I區(qū)。因PIN管的使用材料和加工工藝等原因，I層中含有少量的 P型或N型雜質(zhì)，稱為PπN管或PvN管。其結(jié)構(gòu)如圖1-1。

 
  1.1直流狀態(tài)下
  1.1.1零偏下
  PIN管在零偏時實際上是雙結(jié)二極管，因I層含有少量P型雜質(zhì)，所以IN結(jié)是個PN結(jié)。零偏時，擴散作用使N層電子向I層擴散，I層空穴向N層擴散，在IN結(jié)兩邊便形成了一個空間電荷區(qū)。因為N層電子濃度遠高于I層空穴濃度，故N層的空間電荷層極薄，而I層較N層的空間要厚得多，整個IN結(jié)的寬度基本上等于I層空間電荷層的寬度。而在PI層交界處，由于雜質(zhì)濃度的差異，也會產(chǎn)生一些載流子的擴散運動，但比IN結(jié)小得多，整體上可以忽略不計，所以，PIN管在零偏時的空間電荷分布同PN結(jié)一樣，而1層有兩個部分：一部分為空間電荷層，即耗盡層，其中載流子已耗盡，電阻率很高；另一部分是I層。其中只有少量載流子。所以，在零偏壓時，PIN管星高阻抗。
 
  1.1.2正偏下
  1.1.2.1基本分析
  加正向偏壓時，P層空穴和N層電子在外電場作用下向I層注入，兩者在I層復合，但由于電源的存在，載流子源源不斷地得到補充，注入載流子數(shù)目和復合載流子數(shù)目相等時達到平衡，注入電流達到了穩(wěn)定值。這時，因I層中儲存大量載流子，使l 層電阻率下降，所以，PIN管正向偏壓時，呈低阻抗。外加正偏壓愈大，通過PIN管電流愈大，I層電阻就越低。通過具體的分析計算可以得到正篇電阻為： 如果另IF=50mA、τ=1µs，則可以算出RF=0.44Ω。則可以利用正向電流控制I區(qū)電阻的性質(zhì)，可以制成可控衰減器。
 
  1.1.2.2等效電路
  正偏下，PIN管等效電路如圖1-2所示。Rj為I層正偏時的電阻；Cj為正偏時結(jié)電容和擴散電容之和，但近似等于擴散電容。擴散電容是注入載流子在I層邊界上產(chǎn)生的儲存所引起的電容，遠大于結(jié)電容。  
  1.1.3反偏下
  1.1.3.1基本分析
  在加反向偏壓時，外加電壓產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場一致，使總電場增加。IN結(jié)的空間電荷區(qū)變寬，且主要向I層展寬。隨著反向電壓的增大。I層的空間電荷不斷展寬；當反向偏壓增大到某一定值時，整個I層變?yōu)榭臻g電荷層，呈現(xiàn)穿通狀態(tài)，這時的電壓稱為穿通電壓。同時，PIN管在反偏壓時的阻抗值比零偏時的大。
 
  1.1.3.2等效電路
  反向偏置時，等效電路較為復雜，當反向電壓小于穿通電壓時，I層未穿通，且分成耗盡區(qū)和非耗盡區(qū)兩部分。耗盡區(qū)用電阻Rj和電容Cj并聯(lián)表示，Rj為耗盡區(qū)電阻，值很小，在幾兆歐量級；Cj為Pl或IN結(jié)的電容，約等于十分之幾皮法。非耗盡層區(qū)用電阻Ri，和電容Ci并聯(lián)表示，其中Ri約幾千歐，電容Ci也在十分之幾皮法。反向狀態(tài)等效電路如圖1-3所示。  
  1.2交流狀態(tài)
  1.2.1低頻下
  PlN管對交流信號所呈現(xiàn)的特性與信號頻率和幅度有關(guān)。低頻段時，由于交流信號周期很大。載流子進出I層的渡越時間與之相比可以忽略，這時。交流信號正半周的PIN管特性與加正向良流偏壓時相同，呈低阻抗特性；負半周的特性與加反向直流偏壓時相同，呈高阻抗特性。所以，PIN管在低頻段與普通PN結(jié)二極管相似，且有單向?qū)щ娦裕捎米稣髟?br />  
  1.2.2高頻下
  信號頻率增加后，載流子進出I層的渡越時間與交流信號周期相比不可忽略，PIN管的整流作用就逐漸變?nèi)?。當信號從負半周變?yōu)檎胫軈?，正負載流子從I層兩側(cè)注入，但擴散需要一定時間，在載流子尚未擴散到I層中間時，外加信號已由正變負。因此。在正半周I層尚未真正導通；而當信號由正半周變?yōu)樨摪胫軙r。載流子想I層注入立刻停比，I層中正負載流子由于復合作用而減少。但由于載流子壽命比交流信號半周期長，留在I層中正負載流子還未全部復合，外加信號就又轉(zhuǎn)到正半周去了，所以在負半周內(nèi)工層中始終存在一定數(shù)量的正負載流子，二極管并未達到真正截止。因此，在頻率上升時，特別是在微波頻率下，PlN管根本不能用作整流檢波元件，即它對微波頻率的正半周和負半周的響應(yīng)已經(jīng)沒有顯著區(qū)別，可以近似作為線性元件來使用。
 



上一篇：慢恢復管在開關(guān)電源中的應(yīng)用案例
下一篇：PIN結(jié)構(gòu)二極管在高頻開關(guān)中的應(yīng)用技術(shù)