雖然具有簡(jiǎn)單 PN 結(jié)的二極管是迄今為止最常見(jiàn)的二極管類型，但在各種應(yīng)用中，也可以使用其他形式的二極管。PIN 二極管是一種用于多種電路的二極管。在許多地方都使用這種二極管類型。對(duì)于射頻開(kāi)關(guān)，PIN 二極管非常精細(xì)，光電二極管中的 PIN 結(jié)構(gòu)也非常有用。今天這篇文章主要講解什么是PIN二極管、PIN二極管的結(jié)構(gòu)、PIN二極管的工作原理、PIN二極管的特性、PIN二極管的用途及優(yōu)點(diǎn)。

一、什么是PIN二極管？

PIN二極管于 1952 年首次用作低頻、高功率整流器。在各種微波應(yīng)用中也使用了它，但直到 1960 年左右，它在此應(yīng)用中的使用才變得更加廣泛。PIN 二極管進(jìn)一步用作光電探測(cè)器（光電探測(cè)器或光電二極管），其形式特別適合光吸收。

將高電阻率本征層夾在半導(dǎo)體材料P區(qū)和N區(qū)之間的二極管，這種類型的二極管被稱為PIN二極管。P 區(qū)和 N 區(qū)之間的寬電場(chǎng)提供了本征區(qū)的高電阻層。電場(chǎng)是由電子和空穴的通過(guò)引起的。電場(chǎng)的路徑是從n區(qū)到p區(qū)。

高電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生成對(duì)的大電子空穴，因此即使是很小的信號(hào)也能被二極管解釋。PIN二極管是一種光電探測(cè)器，用于將光能轉(zhuǎn)化為電能。

它們之間的距離因 P 型區(qū)和 N 型區(qū)之間的本征層而擴(kuò)大。該區(qū)域的直徑與其電容成反比。如果它們的電容隨著 P 和 N 面積之間的間隔增加而減小。該二極管功能增加了反應(yīng)時(shí)間，使該二極管非常適合微波應(yīng)用等操作。

二、PIN二極管的結(jié)構(gòu)

二極管由 P 區(qū)和 N 區(qū)組成，由本征半導(dǎo)體材料分隔開(kāi)。空穴是P區(qū)的主要載流子，而電子是n區(qū)的主要載流子。不存在本征場(chǎng)的自由載流子。在 n 和 p 型區(qū)之間，它充當(dāng)絕緣體。i 區(qū)具有高電阻，阻礙電子流通過(guò)它。

PIN二極管

PIN 二極管的符號(hào)表示如下圖所示。PIN二極管的兩個(gè)端子是陽(yáng)極和陰極。陽(yáng)極是正極端子，負(fù)極端子是陰極。

PIN 二極管符號(hào)

PIN 二極管的名稱來(lái)源于它具有三個(gè)初級(jí)層。PIN 二極管有三層，而不是只有 P 型層和 N 型層：

*P型層

*本征層

*N型層

與標(biāo)準(zhǔn) PN 結(jié)二極管相比，PIN 二極管的本征層提供了特性變化。本征區(qū)域由未摻雜或幾乎未摻雜的半導(dǎo)體組成，在大多數(shù)PIN 二極管中非常小- 在 10 至 200 微米范圍內(nèi)。

可以使用兩種主要結(jié)構(gòu)，但圖中可以看到稱為平面結(jié)構(gòu)的一種。從圖中可以看出，本征層比按比例繪制時(shí)要大得多。這樣做是為了幫助解釋整體 PIN 二極管結(jié)構(gòu)。

PIN二極管通常由硅制成，這是 20 世紀(jì) 80 年代砷化鎵開(kāi)始使用之前主要使用的半導(dǎo)體材料。

三、PIN二極管的工作原理

PIN 二極管的功能與普通二極管相同。當(dāng)二極管不偏不倚時(shí)，它們的電荷載流子會(huì)分散。擴(kuò)散一詞表明耗盡區(qū)的電荷載流子想要移動(dòng)到其區(qū)域。擴(kuò)散機(jī)制持續(xù)直至耗盡區(qū)中的電荷達(dá)到平衡。

讓 N 層和 I 層建立耗盡區(qū)。空穴和電子在該區(qū)域的擴(kuò)散導(dǎo)致整個(gè) NI 區(qū)域出現(xiàn)耗盡層。薄耗盡層在 n 區(qū)上產(chǎn)生相反的極性，而厚耗盡區(qū)在 I 區(qū)上產(chǎn)生相反的極性。

1.正向偏置PIN二極管

當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，電荷不斷地從 P 區(qū)和 N 區(qū)泵入 I 區(qū)。這降低了二極管的正向電阻，并且充當(dāng)矢量電阻。

從 P 區(qū)和 N 區(qū)連接到 i 區(qū)的電荷載流子不會(huì)自動(dòng)集成到本征區(qū)中。在本征場(chǎng)中，沉積的有限數(shù)量的電荷降低了它們的電阻率。

將 Q 視為耗盡區(qū)域中沉積的電荷量。用于電荷重組的周期是相同的。根據(jù)它們的復(fù)合時(shí)間，沉積在本征區(qū)的電荷量會(huì)發(fā)生變化。正向電流繼續(xù)流入 I 區(qū)域。

其中，IF——正向電流

τ-復(fù)合時(shí)間

傳播偏置電流的電阻 (Rs) 與本征區(qū)中積累的 Q 電荷成反比。

其中，w——區(qū)域?qū)挾?/span>

μ——電子遷移率

μ0——空穴遷移率

由式(1)和式(2)可得

上式表明固有區(qū)域的電阻取決于該區(qū)域的距離。

2.反偏PIN二極管

當(dāng)在二極管上施加反向電壓時(shí)，耗盡區(qū)的寬度會(huì)增加。該區(qū)域的厚度不斷增加，直至被整個(gè)I區(qū)移動(dòng)充電載體掃除。從 I 區(qū)去除完整電荷載流子所需的反向電壓稱為掃描電壓。

二極管的行為類似于反向偏置的電容器。P區(qū)和N區(qū)充當(dāng)電容器的正極板和負(fù)極板，板之間的絕緣體是本征區(qū)。

其中，A——結(jié)型二極管

w – 本征區(qū)域厚度

效應(yīng)開(kāi)始出現(xiàn)的最小頻率表示為

式中，ε——硅介電常數(shù)

四、PIN二極管的特性

PIN二極管位于P型和N型區(qū)域之間的本征層使其具有高反向擊穿電壓和低電容頻率等特性，并且當(dāng)其正向偏置時(shí)，還具有載流子存儲(chǔ)等其他特性，使其可用于某些微波應(yīng)用。

觀察到耗盡層在低反向偏壓水平下完全耗盡。PIN 二極管電容如果完全耗盡，則與偏置程度無(wú)關(guān)，因?yàn)楸菊鲗記](méi)有凈電荷。然而，電容頻率通常低于其他類型的二極管，這確保了通過(guò)二極管的 RF 信號(hào)泄漏較低。

兩種形式的載流子都被插入到本征層中，并在 PIN 二極管正向偏置時(shí)合并。正是這種機(jī)制有助于電流通過(guò)薄片。

當(dāng)用于高頻信號(hào)時(shí)，二極管表現(xiàn)為電阻器而不是非線性單元，這不會(huì)導(dǎo)致整流或失真，這是 PIN 二極管特別有用的功能。其電阻由施加的直流偏壓控制。這樣，該系統(tǒng)可以用作強(qiáng)大的射頻開(kāi)關(guān)或可變電阻器，其產(chǎn)生的失真比普通 PN 結(jié)二極管小得多。

五、PIN二極管的用途及優(yōu)點(diǎn)

由于其結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出某些具有特殊價(jià)值的特性，PIN 二極管被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

高壓整流器：作為高壓整流器，可以使用PIN二極管。PN 區(qū)和 N 區(qū)之間的區(qū)別由本征區(qū)決定，因此可以承受更高的反向電壓。

RF 開(kāi)關(guān)：PIN 二極管使 RF 開(kāi)關(guān)變得完美。它們之間的距離因 P 區(qū)和 N 區(qū)之間的本征層而增加。這也減少了它們之間的電容，從而增加了二極管反向偏置時(shí)的分離度。

光電探測(cè)器：在光電二極管的耗盡區(qū)中，當(dāng)光轉(zhuǎn)換為電流時(shí)，通過(guò)添加本征層來(lái)增加耗盡區(qū)，從而通過(guò)增加光轉(zhuǎn)換量來(lái)增加輸出。

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