【技术】PIN二极管等效电路及驱动控制

时间： 2021-09-29 来源：合科泰半导体

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在半导体世界里，PN结是二极管发展演变的基因，利用PN结的单向导电性可开发出各种半导体产品，例如整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。在PN结的P区和N区之间夹入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，形成PIN结构，就产生了一种新的二极管品种——PIN二极管，广泛用于射频与微波领域，例如要求高隔离度和低损耗的微波开关、移相器和衰减器。

PIN二极管特性

PIN二极管工作在RF和微波频率，最大特点在于PN结中间多了一个“I”层，这个本征半导体层与介质类似，相当于扩展了P-N结电极之间的距离，使结电容变得很小，这是PIN二极管的一大特点。

PIN二极管用电流控制电阻，其“I”层宽度随反向电压增加而加宽。正向偏置（“导通”）时，PIN二极管的电阻很小（不到1欧姆），反向偏置（“截止”）时电阻高达10kΩ以上。

图1. PIN二极管工作原理（a）及正偏（b）、反偏（c）等效电路

正向偏压时，PIN二极管呈低阻特性。正向偏压越大，注入I层的电流就越大，使得其电阻越小，一般只有几分之一欧姆。在零偏下，由于I区存在耗尽区，PIN二极管呈现高阻状态。在反偏情况下，情况与跟零偏时很类似，所不同的是内建电场会得到加强。此时的PIN二极管可以等效为电阻加电容，其电阻是剩下的本征区电阻，而电容是耗尽区的势垒电容。其中，电阻范围在1Ω到100Ω之间，电容范围在0.1pF到10pF之间。如果反向偏压过大，使得耗尽区充满整个I区，此时会发生I区穿通，此时PIN管不能正常工作了。

PIN二极管应用

PIN二极管常常用于RF和微波电路的微波开关、移相器和衰减器。由于射频电阻与直流偏置电流有关，在串联射频开关电路中，每个PIN二极管都有相应的PIN二极管驱动器或开关驱动器，用来提供受控正向偏置电流、反向偏置电压以及控制信号（通常是一个数字逻辑命令）与一个或多个PIN二极管之间的激活接口。

图2. PIN二极管反向特性及结电容

应用中，一般将开关驱动器控制电路与PIN二极管相连，以便通过施加正向或反向偏置来开关二极管作。偏置电路通常使用一个低通滤波器，通常位于RF电路与开关驱动器之间。需要注意的是，这里的元件允许频率相对较低的控制信号通过PIN二极管，不正常的RF能量损耗意味着开关的插入损耗过高。

除了RF应用，在一些要求高隔离度和低损耗的精密测量领域，例如仪器仪表、测试设备、通信设备、雷达和各种军事应用，也能发现PIN二极管的身影。随着移动通信向更高波段发展，特别是5G基站的大规模安装，PIN二极管的市场空间也进一步打开。

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