PIN二极管的工作原理及其应用

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.......................................................................................41.1直流状态下.........................................................................................................41.1.1零偏下......................................................................................................41.1.2正偏下......................................................................................................41.1.3反偏下......................................................................................................51.2交流状态.............................................................................................................61.2.1低频下......................................................................................................61.2.2高频下......................................................................................................61.3本章小结.............................................................................................................6第2章PIN二极管的应用...............................................................................................72.1高频开关.............................................................................................................72.1.1基本原理..................................................................................................72.1.2关于开关时间的讨论..............................................................................82.2高频电子衰减器.................................................................................................82.3本章小结.............................................................................................................9结论..............................................................................................................................10参考文献..........................................................................................................................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PN管或PvN管。其结构如图1-1。π或vN+P+图1-1PIN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512R()[()]22FFkTWWshtgshIqLL当WL时，22WWshLL，同时122WWtgLL，则上式可化简为22FFWRI。如果另50,1FImAs，则可以算出0.44FR。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6jiXCjjXCjRsRiR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PIN二极管用作天线转换开关的电路，用这种二极管使得隔离特性好，插入损耗也小。天线12V4VfRPIN1L2L3LC图2-1调谐波段开关PIN天线图2-2调谐波段开关半导体器件论文8PIN二极管用作微波开关时，高频信号叠加在直流偏压至上，作为好的开关器件，通态应尽量大，这就要求PIN二极管正向阻抗低反向阻抗高。使用较大的正向偏流，选用较大的I区载流子寿命和较小的I区宽度W，均可使正向阻抗降低。2.1.2关于开关时间的讨论PIN二极管实际上式一种特殊的电荷存贮二极管。当它处于正向导通状态时，希望I层贮存尽可能多的电子和空穴，以使正向阻抗降低的很低。当它处于反向截止状态时，则希望把I层贮存的载流子尽快的消除掉。这就是PIN二极管的开关速度问题。开关速度由开关时间决定，开关时间主要取决于器件从通到关断的关闭时间，即反向恢复时间。要减小反向恢复