PIN结构二极管的工作原理
作者：海飞乐技术 时间：2017-02-14 17:58
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二极管由二层半导体构成：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PπN管或PvN管。其结构如图1-1。
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1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管星高阻抗。
1.1.2正偏下
1.1.2.1基本分析
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l 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：
1.1.2.2等效电路
正偏下，PIN管等效电路如图1-2所示。Rj为I层正偏时的电阻；Cj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。
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Rj和电容Cj并联表示，Rj为耗尽区电阻，值很小，在几兆欧量级；Cj为Pl或IN结的电容，约等于十分之几皮法。非耗尽层区用电阻Ri，和电容Ci并联表示，其中Ri约几千欧，电容Ci也在十分之几皮法。反向状态等效电路如图1-3所示。
1.2交流状态
1.2.1低频下
PlN管对交流信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，且有单向导电性，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吋，正负载流子从I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层尚未真正导通；而当信号由正半周变为负半周时。载流子想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。但由于载流子寿命比交流信号半周期长，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，PlN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別，可以近似作为线性元件来使用。
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