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PIN二極管,PIN二極管是什么意思

2010年02月27日 09:51 www.zgszdi.cn 作者:佚名 用戶評論(0
關(guān)鍵字:PIN二極管(13900)

PIN二極管,PIN二極管是什么意思

普通的二極管由PN結(jié)組成.在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征(Intrinsic)半導(dǎo)體層,組成的這種P-I-N結(jié)構(gòu)的二極管就是PIN 二極管.正因為有本征(Intrinsic)層的存在,PIN 二極管應(yīng)用很廣泛,從低頻到高頻的應(yīng)用都有,主要用在RF領(lǐng)域,用作RF 開關(guān)和RF保護電路,也有用作光電二極管(PhotoDiode)。PIN 二極管包括PIN光電二極管和PIN開關(guān)二極管.

微波開關(guān)利用PIN管在直流正,反偏壓下呈現(xiàn)近似導(dǎo)通或斷開的阻抗特性,實現(xiàn)了控制微波信號通道轉(zhuǎn)換作用. PIN 二極的直流伏安特性和PN結(jié)二極管是一樣的,但是在微波頻段卻有根本的差別。由于PIN 二極I層的總電荷主要由偏置電流產(chǎn)生。而不是由微波電流瞬時值產(chǎn)生,所以其對微波信號只呈現(xiàn)一個線性電阻。此阻值由直流偏置決定,正偏時阻值小,接近于短路,反偏時阻值大,接近于開路。因此PIN 二極對微波信號不產(chǎn)生肥線性整流作用,這是和一般二極管的根本區(qū)別,所以它很適合于做微波控制器件。

因此,可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應(yīng)用于高頻開關(guān)(即微波開關(guān))、移相、調(diào)制、限幅等電路中。 PIN二極管的特性:

加負電壓(或零偏壓)時,PIN管等效為電容+電阻;加正電壓時,PIN管等效為小電阻。用改變結(jié)構(gòu)尺寸及選擇PIN二極管參數(shù)的方法,使短路的階梯脊波導(dǎo)的反射相位(基準相位)與加正電壓的PIN管控制的短路波導(dǎo)的反射相位相同。還要求加負電壓(或0偏置)的PIN管控制的短路波導(dǎo)的反射相位與標準相位相反(-164°~+164°之間即可)。

圖1給出了PIN二極管在正向?qū)〞r的電荷分布情況.為簡化起見,我們假設(shè)I區(qū)域中電子與空穴分布對稱且分布密度相同.設(shè)x=-d處的空穴分布密度為p1,在[-d,0]區(qū)域中的剩余空穴電荷為q2,且位于x=-d/2處,這樣此區(qū)域的平均空穴密度為:p2=q2/qAd.這里A為結(jié)面積,q為單位電荷.

image:bk065022_1.gif

圖1 PIN二極管的電荷分布

由于P+區(qū)域的空穴密度遠大于電子密度,這樣在x=-d處的電子電流可以忽略(所引起的誤差將在下文討論).二極管的電流密度可以表示為[9]

image:bk065022_2.gif

其中 Da為擴散常數(shù);Jh為空穴電流密度.


二極管的電流為 image:bk065022_3.gif

電荷q2與電流的關(guān)系式為

image:bk065022_4.gif

其中 τa為壽命時間.

式(2)及式(3)描述了二極管的模型,通過定義qE=2q1, qM=2q2及T=d2/2Da,兩式可簡化為

image:bk065022_5.gif

image:bk065022_6.gif

圖2表示了在感性負載時二極管的關(guān)斷過程.此過程可分為兩個階段:從t=T0到t=T1,二極管處于低阻抗狀態(tài),其電壓近似為0,在t=T1時刻,二極管中I區(qū)域邊緣的剩余電荷變?yōu)?,二極管開始呈現(xiàn)高阻抗狀態(tài).在式(4)、(5)中令qE=0可得t=T1時刻后二極管的電流為

image:bk065022_7.gif

其中 τ?rr由式(7)給出,I?rr為反向恢復(fù)電流峰值.

image:bk065022_8.gif


image:bk065022_9.gif

圖2 反向恢復(fù)電流波形

一般情況下,t?rr、I?rr及測試條件di/dt、I?FM均在器件的產(chǎn)品手冊上列出.根據(jù)式(6)及測試條件,τ?rr可由下式獲得

image:bk065022_10.gif

其中 a=-di/dt.

根據(jù)圖2所示的反向電流波形,qM在t≤T1階段的表達式為

image:bk065022_11.gif

當t=T1時,i(T1)=-I?rr=-qM(T1)/T,代入上式得式(10),τa可由此式解出

然后參數(shù)T可由τa、T及τ?rr的關(guān)系式(7)算出.

從以上的討論可以看出,該模型的參數(shù)可以方便地從產(chǎn)品手冊中得到:首先由式(8)計算τ?rr,再從式(10)解得τa,最后由式(7)決定參數(shù)T。

設(shè)計PIN二極管時需主要考慮幾個參數(shù)

1. 插入損耗:開關(guān)在導(dǎo)通時衰減不為零,稱為插入損耗

2. 隔離度:開關(guān)在斷開時其衰減也非無窮大,稱為隔離度

3. 開關(guān)時間: 由于電荷的存儲效應(yīng),PIN管的通斷和斷通都需要一個過程,這個過程所需時間

4. 承受功率: 在給定的工作條件下,微波開關(guān)能夠承受的最大輸入功率

5. 電壓駐波系數(shù): 僅反映端口輸入,輸出匹配情況

6. 視頻泄漏

7. 諧波: PIN二極管也具有非線性,因而會產(chǎn)生諧波,PIN開關(guān)在寬帶應(yīng)用場合,諧波可能落在使用頻帶內(nèi)引起干擾. 開關(guān)分類:反射式和吸收式, 吸收式開關(guān)的性能較反射式開關(guān)優(yōu)良

控制方式:采用TTL信號控制。'1'通'0'斷

PIN二極管型號的選擇主要是根據(jù)所做光功率計的測量范圍來確定的。常用的PIN二極管(如FU-15PD)都是小信號工作器件,光敏面不合適,能接收的光功率范圍很有限,所以一般不用它做光功率計的探測器

PIN二極管還可以調(diào)節(jié)到高頻范圍。為改善隔離特性,我們可以將兩個或多個二極管串聯(lián)起來,但同時會引起介入損耗的增大。PIN二極管本質(zhì)上還屬于電流控制的電阻器。為減少介入損耗,它們需要采用大量的直流電源以降低I(本征)區(qū)內(nèi)的電阻率。這顯然會影響電池壽命。這種特點,再加上PIN二極管方案需要大量器件,使得這種技術(shù)很難應(yīng)用于便攜手持式產(chǎn)品。

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