了解PIN二极管，看这篇文章就够了

虽然具有简单 PN 结的二极管是迄今为止最常见的二极管类型，但在各种应用中，也可以使用其他形式的二极管。PIN 二极管是一种用于多种电路的二极管。在许多地方都使用这种二极管类型。对于射频开关，PIN 二极管非常精细，光电二极管中的 PIN 结构也非常有用。今天这篇文章主要讲解什么是PIN二极管、PIN二极管的结构、PIN二极管的工作原理、PIN二极管的特性、PIN二极管的用途及优点。

一、什么是PIN二极管？

PIN二极管于 1952 年首次用作低频、高功率整流器。在各种微波应用中也使用了它，但直到 1960 年左右，它在此应用中的使用才变得更加广泛。PIN 二极管进一步用作光电探测器（光电探测器或光电二极管），其形式特别适合光吸收。

将高电阻率本征层夹在半导体材料P区和N区之间的二极管，这种类型的二极管被称为PIN二极管。P 区和 N 区之间的宽电场提供了本征区的高电阻层。电场是由电子和空穴的通过引起的。电场的路径是从n区到p区。

高电场会产生成对的大电子空穴，因此即使是很小的信号也能被二极管解释。PIN二极管是一种光电探测器，用于将光能转化为电能。

它们之间的距离因 P 型区和 N 型区之间的本征层而扩大。该区域的直径与其电容成反比。如果它们的电容随着 P 和 N 面积之间的间隔增加而减小。该二极管功能增加了反应时间，使该二极管非常适合微波应用等操作。

二、PIN二极管的结构

二极管由 P 区和 N 区组成，由本征半导体材料分隔开。空穴是P区的主要载流子，而电子是n区的主要载流子。不存在本征场的自由载流子。在 n 和 p 型区之间，它充当绝缘体。i 区具有高电阻，阻碍电子流通过它。

PIN二极管

PIN 二极管的符号表示如下图所示。PIN二极管的两个端子是阳极和阴极。阳极是正极端子，负极端子是阴极。

PIN 二极管符号

PIN 二极管的名称来源于它具有三个初级层。PIN 二极管有三层，而不是只有 P 型层和 N 型层：

*P型层

*本征层

*N型层

与标准 PN 结二极管相比，PIN 二极管的本征层提供了特性变化。本征区域由未掺杂或几乎未掺杂的半导体组成，在大多数PIN 二极管中非常小- 在 10 至 200 微米范围内。

可以使用两种主要结构，但图中可以看到称为平面结构的一种。从图中可以看出，本征层比按比例绘制时要大得多。这样做是为了帮助解释整体 PIN 二极管结构。

PIN二极管通常由硅制成，这是 20 世纪 80 年代砷化镓开始使用之前主要使用的半导体材料。

三、PIN二极管的工作原理

PIN 二极管的功能与普通二极管相同。当二极管不偏不倚时，它们的电荷载流子会分散。扩散一词表明耗尽区的电荷载流子想要移动到其区域。扩散机制持续直至耗尽区中的电荷达到平衡。

让 N 层和 I 层建立耗尽区。空穴和电子在该区域的扩散导致整个 NI 区域出现耗尽层。薄耗尽层在 n 区上产生相反的极性，而厚耗尽区在 I 区上产生相反的极性。

1.正向偏置PIN二极管

当二极管正向偏置时，电荷不断地从 P 区和 N 区泵入 I 区。这降低了二极管的正向电阻，并且充当矢量电阻。

从 P 区和 N 区连接到 i 区的电荷载流子不会自动集成到本征区中。在本征场中，沉积的有限数量的电荷降低了它们的电阻率。

将 Q 视为耗尽区域中沉积的电荷量。用于电荷重组的周期是相同的。根据它们的复合时间，沉积在本征区的电荷量会发生变化。正向电流继续流入 I 区域。

其中，IF——正向电流

τ-复合时间

传播偏置电流的电阻 (Rs) 与本征区中积累的 Q 电荷成反比。

其中，w——区域宽度

μ——电子迁移率

μ0——空穴迁移率

由式(1)和式(2)可得

上式表明固有区域的电阻取决于该区域的距离。

2.反偏PIN二极管

当在二极管上施加反向电压时，耗尽区的宽度会增加。该区域的厚度不断增加，直至被整个I区移动充电载体扫除。从 I 区去除完整电荷载流子所需的反向电压称为扫描电压。

二极管的行为类似于反向偏置的电容器。P区和N区充当电容器的正极板和负极板，板之间的绝缘体是本征区。

其中，A——结型二极管

w – 本征区域厚度

效应开始出现的最小频率表示为

式中，ε——硅介电常数

四、PIN二极管的特性

PIN二极管位于P型和N型区域之间的本征层使其具有高反向击穿电压和低电容频率等特性，并且当其正向偏置时，还具有载流子存储等其他特性，使其可用于某些微波应用。

观察到耗尽层在低反向偏压水平下完全耗尽。PIN 二极管电容如果完全耗尽，则与偏置程度无关，因为本征层没有净电荷。然而，电容频率通常低于其他类型的二极管，这确保了通过二极管的 RF 信号泄漏较低。

两种形式的载流子都被插入到本征层中，并在 PIN 二极管正向偏置时合并。正是这种机制有助于电流通过薄片。

当用于高频信号时，二极管表现为电阻器而不是非线性单元，这不会导致整流或失真，这是 PIN 二极管特别有用的功能。其电阻由施加的直流偏压控制。这样，该系统可以用作强大的射频开关或可变电阻器，其产生的失真比普通 PN 结二极管小得多。

五、PIN二极管的用途及优点

由于其结构表现出某些具有特殊价值的特性，PIN 二极管被广泛应用于各个领域。

高压整流器：作为高压整流器，可以使用PIN二极管。PN 区和 N 区之间的区别由本征区决定，因此可以承受更高的反向电压。

RF 开关：PIN 二极管使 RF 开关变得完美。它们之间的距离因 P 区和 N 区之间的本征层而增加。这也减少了它们之间的电容，从而增加了二极管反向偏置时的分离度。

光电探测器：在光电二极管的耗尽区中，当光转换为电流时，通过添加本征层来增加耗尽区，从而通过增加光转换量来增加输出。

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