PIN型二極管
編輯PIN 型二極管是一種二極管,在 p 型半導體和 n 型半導體區域之間有一個寬的、未摻雜的本征半導體區域。 p 型和 n 型區域通常是重摻雜的,因為它們用于歐姆接觸。
寬本征區與普通 p-n 二極管形成對比。 較寬的本征區域使 PIN 型二極管成為劣質整流器(二極管的一個典型功能),但它適用于衰減器、快速開關、光電探測器和高壓電力電子應用。
PIN光電二極管是Jun-Ichi Nishizawa和他的同事在1950年發明的,它是一種半導體器件。
操作
編輯PIN 型二極管在所謂的高級別注入下運行。 換句話說,本征 i 區充滿了來自 p 區和 n 區的載流子。 它的作用可以比喻為裝滿側面有孔的水桶。 一旦水達到洞的水平面,它就會開始倒出。 類似地,一旦被淹沒的電子和空穴達到平衡點,二極管就會傳導電流,此時電子數量等于本征區中的空穴數量。
當二極管正向偏置時,注入的載流子濃度通常比本征載流子濃度高幾個數量級。 由于這種高水平注入,而這又是由于耗盡過程,電場深入(幾乎整個長度)延伸到該區域。 該電場有助于加速電荷載流子從 P 區到 N 區的傳輸,從而加快二極管的運行速度,使其成為適合高頻運行的器件。
特點
編輯PIN 型二極管遵循低頻信號的標準二極管方程。 在更高的頻率下,二極管看起來像一個近乎完美的(非常線性,即使對于大信號)電阻器。 P-I-N 二極管在較厚的本征區中漂移著相對較大的存儲電荷。 在足夠低的頻率下,存儲的電荷可以被完全掃描并且二極管關閉。 在較高頻率下,沒有足夠的時間從漂移區清除電荷,因此二極管永遠不會關閉。 從二極管結清除存儲電荷所需的時間是其反向恢復時間,在 PIN 型二極管中相對較長。 對于給定的半導體材料、導通阻抗和最小可用射頻頻率,反向恢復時間是固定的。 這個屬性可以被利用; 一種 P-I-N 二極管,即步進恢復二極管,利用反向恢復結束時的突然阻抗變化來創建窄脈沖波形,可用于高倍頻倍頻。
高頻電阻與通過二極管的直流偏置電流成反比。 適當偏置的 PIN 型二極管因此充當可變電阻器。 此高頻電阻可能會在很寬的范圍內變化(在某些情況下從 0.1 Ω 到 10 kΩ;但有用的范圍較小)。
寬本征區還意味著二極管在反向偏置時將具有低電容。
在 PIN 型二極管中,耗盡區幾乎完全存在于本征區內。 該耗盡區比 PN 二極管中的大得多,并且大小幾乎恒定,與施加到二極管的反向偏壓無關。 這增加了入射光子可以產生電子空穴對的體積。 一些光電探測器設備,例如 PIN 光電二極管和光電晶體管(其中基極-集電極結為 PIN 型二極管),在其結構中使用 PIN 結。
二極管設計有一些設計權衡。 增加本征區的面積會增加其存儲的電荷,從而降低其 RF 導通電阻,同時還會增加反向偏置電容并增加在固定開關時間內移除電荷所需的驅動電流,而不會影響掃描所需的最短時間 來自 I 區域的電荷。 增加本征區的厚度會增加總存儲電荷,降低最小射頻頻率并降低反向偏置電容,但不會降低正向偏置射頻電阻并增加掃描漂移電荷所需的最短時間 以及從低射頻電阻到高射頻電阻的過渡。 二極管在商業上以各種幾何形狀出售,用于特定的 RF 頻段和用途。
應用
編輯PIN 型二極管可用作射頻開關、衰減器、光電探測器和移相器。
射頻和微波開關
在零偏壓或反向偏壓(關閉狀態)下,PIN 型二極管具有低電容。 低電容不會傳遞大部分射頻信號。 在1mA的正向偏置(導通狀態)下,典型的PIN型二極管的射頻電阻約為1歐姆,是射頻的良導體。 因此,PIN 型二極管是一個很好的 RF 開關。
雖然 RF 繼電器可以用作開關,但它們的開關速度相對較慢(大約為 10 毫秒)。
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