一、PIN二極管的原理和結構

一般的二極管是由N型雜質摻雜的半導體材料和P型雜質摻雜的半導體材料直接構成形成PN結。而PIN二極管是在P型半導體材料和N型半導體材料之間加一薄層低摻雜的本征(Intrinsic)半導體層。

PIN二極管的結構圖如圖1所示，因為本征半導體近似于介質，這就相當于增大了P-N結結電容兩個電極之間的距離，使結電容變得很小。其次，P型半導體和N型半導體中耗盡層的寬度是隨反向電壓增加而加寬的，隨著反偏壓的增大，結電容也要變得很小。由于I層的存在，而P區(qū)一般做得很薄，入射光子只能在I層內被吸收，而反向偏壓主要集中在I區(qū)，形成高電場區(qū)，I區(qū)的光生載流子在強電場作用下加速運動，所以載流子渡越時間常量減小，從而改善了光電二極管的頻率響應。同時I層的引入加大了耗盡區(qū)，展寬了光電轉換的有效工作區(qū)域，從而使靈敏度得以提高。

圖1PIN二極管的結構示意圖

PIN二極管的基本結構有兩種，即平面的結構和臺面的結構，如圖2所示。對于Si-pin133結二極管，其中I層的載流子濃度很低（約為10cm數量級）電阻率很高、（約為k-cm數量級），厚度W一般較厚（在10～200m之間）；I層兩邊的p型和n型半導體的摻雜濃度通常很高。

平面結構和臺面結構的I層都可以采用外延技術來制作，高摻雜的p+層可以采用熱擴散或者離子注入技術來獲得。平面結構二極管可以方便地采用常規(guī)的平面工藝來制作。而臺面結構二極管還需要進行臺面制作（通過腐蝕或者挖槽來實現）。臺面結構的優(yōu)點是：

①去掉了平面結的彎曲部分，改善了表面擊穿電壓；

②減小了邊緣電容和電感，有利于提高工作頻率。

圖2PIN二極管的兩種結構

二、PIN二極管在不同偏置下的工作狀態(tài)

1、正偏下

PIN二極管加正向電壓時，P區(qū)和N區(qū)的多子會注入到I區(qū)，并在I區(qū)復合。當注入載流子和復合載流子相等時，電流I達到平衡狀態(tài)。而本征層由于積累了大量的載流子而電阻變低，所以當PIN二極管正向偏置時，呈低阻特性。正向偏壓越大，注入I層的電流就越大，I層載流子越多，使得其電阻越小。圖3是正偏下的等效電路圖，可以看出其等效為一個很小的電阻，阻值在0.1Ω和10Ω之間。

圖3正向偏壓下PIN二極管的等效電路圖

正向偏壓電流與正向阻抗特性曲線圖

2、零偏下

當PIN二極管兩端不加電壓時，由于實際的I層含有少量的P型雜質，所以在IN交界面處，I區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子向I區(qū)擴散，然后形成空間電荷區(qū)。由于I區(qū)雜質濃度相比N區(qū)很低，多以耗盡區(qū)幾乎全部在I區(qū)內。在PI交界面，由于存在濃度差（P區(qū)空穴濃度遠遠大于I區(qū)），也會發(fā)生擴散運動，但是其影響相對于IN交界面小的多，可以忽略不計。所以當零偏時，I區(qū)由于存在耗盡區(qū)而使得PIN二極管呈現高阻狀態(tài)。

3、反偏下

反偏情況跟零偏時很類似，所不同的是內建電場會得到加強，其效果是使IN結的空間電荷區(qū)變寬，且主要是向I區(qū)擴展。此時的PIN二極管可以等效為電阻加電容，其電阻是剩下的本征區(qū)電阻，而電容是耗盡區(qū)的勢壘電容。圖4是反偏下PIN二極管的等效電路圖，可以看出電阻范圍在1Ω到100Ω之間，電容范圍在0.1pF到10pF之間。當反向偏壓過大，使得耗盡區(qū)充滿整個I區(qū)，此時會發(fā)生I區(qū)穿通，此時PIN管不能正常工作了。

圖4反向偏壓下PIN二極管的等效電路圖和反向偏壓電流與反向電容特性曲線

三、PIN二極管作為射頻開關

3.1 工作原理

因為 PIN二極管的射頻電阻與直流偏置電流有關，所以它可以用作為射頻開關和衰減器。串聯射頻開關電路：當二極管正偏時，即接通（短路）；當二極管零偏或者反偏時，不僅開關的最高工作頻率會受到限制，最低工作頻率也會受到限制，如PIN管就不能控制直流或低頻信號的通斷。受管子截止頻率的影響,開關還有一個上限工作頻率。要求開關的頻帶盡量寬，因為信號源的頻帶越來越寬。

3.2 性能參數

插入損耗和隔離度：插入衰減定義為信號源產生的最大資用功率P 與開關導通時負載獲得的實際功率P之比，即P / P 。若開關在關斷時負載上的實際功率為P ，則表示隔離度，寫成分貝的形式：

根據網絡散射參量的定義，有：

理想開關，在斷開時衰減無限大，導通時衰減為零，一般只能要求兩者比值盡量大。由于PI N 管的阻抗不能減小到零，也不能增大至無限大，所以實際的開關在斷開時衰減不是無限大，導通時也不是零，一般只能要求兩者的比值應盡量大，開關的導通衰減稱插入損耗，斷開時的衰減稱為隔離度，插入損耗和隔離度是衡量開關質量優(yōu)劣的基本指標。目標是設計低插入損耗和高隔離的開關。

功率容量：所謂開關的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二極管的功率容量主要受到以下兩方面的限制，管子導通時所允許的最大功耗；管子截止時所能承受的最大反向電壓，也就是反向擊穿電壓。如果開關工作的時候超過了這些限制，前者會導致管內溫升過高而燒毀；后者會導致I區(qū)雪崩擊穿。它由開關開、關狀態(tài)下允許的微波信號功率的較小者決定。大功率下的非線性效應(IIP3 )也是開關的承受功率的一個主要因素，特別是在移動通信基站中。

驅動器的要求：PI N 管開關和FET 開關的驅動電路是不同的，前者需要提供電流偏置，后者則要求有偏壓，驅動器好壞是影響開關速度的主要因素之一。

開關速度：指開關開通和關斷的快慢，在快速器件中是一個很重要的指標。可以列出I區(qū)中的電流方程如下：

開關速度提高到ns量級，通常采用I層很薄的PIN管，因為薄I層中貯存的載流子數量很少，開關時間大大縮短，這種情況下開關時間基本取決于載流子渡越I層的時間，而與載流子壽命無關。提高開關速度也可選用載流子壽命短的管子，增大控制電流的脈沖幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向擊穿電壓的限制。

電壓駐波比(VSWR)：任何在高頻信號通道上的元器件不僅會產生插入損耗，也會導致信號傳輸線上的駐波的增加。駐波是由傳送電磁波與反射波干涉而形成的，這種干涉經常是系統(tǒng)中不同部分的阻抗不匹配或者是系統(tǒng)中連接點的阻抗不匹配造成的。

開關比：一個PIN管，在不考慮封裝寄生參量時，其正向狀態(tài)可用正向電阻R1表示，反向狀態(tài)可以用反向串聯電阻R2和I層容抗jXc，串聯表示。由于 >>R2，，故反向狀態(tài)可近似以jXc表示，我們稱正反兩種狀態(tài)下阻抗的比值Xc／R1為開關比，用以衡量PIN開關的優(yōu)劣。如要使開關比增大，則C和R2必須比較小，可以看出，當頻率提高時，開關性能降低。

四、總結

本文介紹了PIN二極管的結構和工作原理，同時分析了其在各種偏壓下的工作狀態(tài)以及等效電路，最后對PIN二極管作為射頻開關進行了系統(tǒng)的介紹。PIN二極管相比于普通二極管增加了一層本征層（I層），使得其用途及其廣泛，尤其是在射頻領域和光電探測方面。因此，深入研究PIN二極管的原理和特性是很有意義的。