微波电子线路第二章中

2.2.1 结 构 肖 特 基 势 垒 二 极 管 是 利 用 金 属 与 半 导 体 接 触 形 成 肖 特 基势 垒 而 构 成 的 一 种 微 波 二 极 管 ， 它 对 外 主 要 体 现 出 非 线 性 电阻 特 性 ， 是 构 成 微 波 阻 性 混 频 器 、 检 波 器 、 低 噪 声 参 量 放 大器 、 限 幅 器 和 微 波 开 关 等 的 核 心 元 件 。 本 节 介 绍 肖 特 基 势 垒二 极 管 的 结 构 、 等 效 电 路 、 伏 安 特 性 和 特 性 参 量 。 2. 2 肖 特 基 势 垒 二 极 管 结 构 结 构 结 构 结 构半 导 体外 延 层点 接 触 半 导 体外 延 层 面 结 合氧 化 层金 属 钼金金 丝两 种 肖 特 基 势 垒 二 极 管 结 构金 属 触 丝欧 姆 接 触 金属 肖特基势垒二极管点 接 触 二 极 管 和 肖 特 基 表 面 势 垒 二 极 管 （ 简 称 肖 特 基 势 垒 二 极 管 ） 后 者 性 能 优 于 前 者 ， 原 因 是 ： 点 接 触 管 表 面 不 易 清 洁 ， 针 点 压 力 会 造 成 半 导 体 表 面 畸 变 ， 因 而 其 接 触 势 垒 不 是 理 想 的 肖 特 基 势 垒 ， 受 到 机 械 震 动 时 还 会 产 生 颤 抖 噪 声 。 但 面 结 合 型 管 子 金 半 接 触 界 面 比 较 平 整 ， 不 暴 露 而 较 易 清 洁 ， 其 接 触 势 垒 几 乎 是 理 想 的 肖 特 基 势 垒 。 不 同 的 点 接 触 管 子 生 产 时 压 接 压 力 不 同 ， 使 肖 特 基 结 的 直 径 不 同 ， 因 此 性 能 一 致 性 差 ， 可 靠 性 也 差 。 但 面 结 合 型 管 子 由 于 采 用 平 面 工 艺 ， 因 此 管 子 性 能 稳 定 、 一 致 性 好 、 不 易 损 坏 。 点 接 触 型 和 面 结 合 型 二 极 管 的 典 型 封 装 结 构 可 采 用 炮 弹 式 、同 轴 式 、 微 带 式 等 。 肖 特 基 势 垒 二 极 管 还 有 其 它 一 些 变 形 ： 如 将 点接 触 和 平 面 工 艺 优 点 结 合 起 来 的 触 须 式 肖 特 基 势 垒 二 极 管 ， 取 消 管壳 、 靠 加 厚 的 引 线 来 支 撑 的 梁 式 引 线 肖 特 基 势 垒 二 极 管 等 。 肖特基势垒二极管2.2.2 等 效 电 路 称 为 二 极 管 的 非 线 性 结 电 阻 ， 是 阻 性二 极 管 的 核 心 等 效 元 件 。 随 着 加 于 二 极管 上 的 偏 压 改 变 ， 正 向 时 约 为 几 个 欧 姆 ，反 向 时 可 达 兆 欧 量 级 。 肖 特 基 势 垒 二 极 管 等 效 电 路sLjR jC sR pC jR jR 称 为 二 极 管 的 非 线 性 结 电 容 ， 由 于 金半 结 管 子 不 存 在 扩 散 电 容 ， 故 这 一 电 容 就是 金 半 结 的 势 垒 电 容 ， 其 数 值 在 百 分 之 几到 一 个 皮 法 （ pF） 之 间 。 jC 称 为 半 导 体 的 体 电 阻 ， 又 叫 串 联 电 阻 。点 接 触 型 管 子 的 值 约 在 十 到 几 十 欧 姆 ， 而面 结 合 型 管 子 的 值 约 为 几 欧 姆 。 sR 引 线 电 感 ， 约 为 一 至 几 个 纳 亨 。sL 管 壳 电 容 ， 约 为 几 分 之 一 皮 法 。pC肖 特 基 二 极 管 电 路 符 号 肖特基势垒二极管2.2.3 伏 安 特 性 当 势 垒 是 理 想 的 肖 特 基 势 垒 时 ， ， 当 势 垒 不 理 想 时 ， 。 对 点接 触 型 管 子 来 说 ， 通 常 ， 而 面 结 合 型 管 子 。 1exp kTqVIVfI s n 1n 1n4.1n 1.105.1nnkTq 1n 1exp VII s 肖 特 基 势 垒 二 极 管 电 压 电 流 特 性0I V 肖特基势垒二极管 二 极 管 两 端 的 外 加 偏 压 由 两 部 分 构 成 ： 直 流 偏 压 和 交 流 时 变 偏 压（ 可 称 为 本 振 电 压 ） ,为 ： tVVtv LLdc cos 1cosexp tVVI vfti LLdcs 肖 特 基 势 垒 二 极 管 时 变 电 流 波 形00 I VdcV tvt ti t 肖特基势垒二极管定 义 二 极 管 的 时 变 电 导 为 : tVVfvfdvditg LLdctVVv LLdc coscos 1cosexp tVVI tiItitg LLdcs s 肖 特 基 势 垒 二 极 管 时 变 电 导 波 形00 gdcV V tvt tg t 表 明 当 交 流 偏 压 随 时 间 作周 期 性 变 化 时 ， 瞬 时 电 导 也 随时 间 作 周 期 性 变 化 。 肖特基势垒二极管 1cosexp tVVIvfti LLdcs sLLLLLdcs n Lndc ItVJtVJVJVI ntnIIti 2cos2cos2exp cos2 2101直 流 分 量 和 相 应 于 交 流 偏 压 的 各 次 谐 波 电 流 振 幅 系 数 为 ： Ldcsdc VJVII 0exp Lndcsn VJVII exp交 流 偏 压 激 励 的 基 波 电 流 振 幅 为 ：LII 1 LdcsL VJVII 1exp2根 据 贝 塞 尔 函 数 的 大 宗 量 近 似 式 ， 当 较 大 时 可 求 得 : LV L Ldcsdc V VVII 2exp dcL II 2 肖特基势垒二极管交 流 偏 压 功 率 为 : LdcLLL VIVIP 21二 极 管 对 交 流 偏 压 源 所 呈 现 的 电 导 为 ： LdcLLL VIVIG 22.2.4 特 性 参 量 截 止 频 率 cf 当 外 加 电 压 角 频 率 为 ， 使 得 时 ，高 频 信 号 在 上 的 损 耗 为 3dB， 二 极 管 已 经 不 能 良好 工 作 。 定 义 这 时 对 应 的 外 加 信 号 频 率 为 肖 特基 势 垒 二 极 管 的 截 止 频 率 ： c jcs CR 1sR cf02 12 jscc CRf 肖特基势垒二极管 噪 声 比 噪 声 比 定 义 为 二 极 管 的 噪 声 功 率 与 相同 电 阻 热 噪 声 功 率 的 比 值 。 dt 肖 特 基 势 垒 二 极 管噪 声 等 效 电 路2ni dg噪声来源 载 流 子 的 散 粒 噪 声 串 联 电 阻 的 热 噪 声 取 决 于 表 面 情 况 的 闪 烁 噪 声 噪 声 发 生 器 的 均 方 值 为 : qIBi n 22 噪 声 发 生 器 内 导 为 二 极 管 小 信 号 电 导 ： sjd IInkTqRdVdIg 1nkTqIgd 散 粒 噪 声 的 资 用 功 率 为 ： kTBngiN dna 24 2 等 效 电 阻 在 室 温 下 的 热 噪 声 资 用 功 率 为 ， 因 此 二 极 管 的 噪 声 比 为 ： BkT000 2 TTnBkTNt ad 当 二 极 管 温 度 时 ： 0TT 2nt d 由 于 对 于 理 想 肖 特 基 势 垒 ， 则 。 考 虑 到 其 它 各 种 因 素 ，可 认 为 。 实 际 上 对 于 性 能 较 好 的 管 子 ， 较 差 的 可 能 达 到 。 1n 21dt1dt 2.1dt2dt 肖特基势垒二极管 2.3.1 结 构 由 于 PN结 上 空 间 电 荷 层 的 存 在 ， 将 会 出 现 结 电 容 （ 主 要 是 势垒 电 容 ） ， 这 部 分 结 电 容 将 随 着 加 于 PN结 上 的 外 电 压 改 变 ， 利 用这 一 特 性 构 造 了 变 容 二 极 管 。 它 可 作 为 非 线 性 可 变 电 抗 应 用 ， 构成 参 量 放 大 器 、 参 量 变 频 器 、 参 量 倍 频 器 （ 谐 波 发 生 器 ） 、 可 变衰 减 或 调 制 器 等 。 2. 3 变 容 二 极 管 两 种 PN结 二 极 管 结 构N+衬 底N层氧 化 层金 属欧 姆 接 触 金 属P层 N+衬 底N层氧 化 层金 属欧 姆 接 触 金 属P层平 面 型 结 构 台 式 型 结 构 是 外 加 电 压 的 函 数 ， 在 反 偏 压 下 可 达兆 欧 量 级 。 变容二极管2.3.2 等 效 电 路PN结 二 极 管 等 效 电 路sLjR jC sR pC 在 零 偏 压 下 ， 值 约 为 0.1-1.0pF 。 jR )0(jC 引 线 电 感 ， 通 常 小 于 1nH。 sL 管 壳 电 容 ， 通 常 小 于 1pF。 pC 通 常 为 1 5 ， 也 应 该 是 外 加 电 压 的函 数 ， 由 于 其 值 很 小 ， 可 近 似 认 为 是 常 量 。 sR 变 容 管 电 路 符 号 变容二极管2.3.3 特 性重 掺 杂 突 变 P N结 的 势 垒 电 容 可 表 示 为 ： 210 00 12 tDr rrt VNq AAC 可 认 为 此 电 容 即 是 结 电 容 ， 对 应 结 上 的 电 压 VVt 2121 21002100 1 0 1 22 VCVqNAVqNAVC jr Drr Drj考 虑 到 缓 变 结 或 其 它 一 些 特 殊 结 类 型 ， 结 电 容 值 可 统 一 表 示 为 ： mjj VCVC 1 0 m称 为 结 电 容 非 线 性 系 数 ， 它 的 大 小 取 决 于 半导 体 中 掺 杂 浓 度 的 分 布 状 态 ， 反 映 了 电 容 随 外 加电 压 变 化 的 快 慢 。 变容二极管对 于 突 变 P N结 ， ， 电 容 变 化 较 快 ； 21m对 于 线 性 缓 变 结 ， 31m 变 容 管 电 压 电 容 特 性 0BV VjC 0jC minC 管 子 一 般 工 作 于 反 偏 状 态 ， 反 偏 压 的 绝对 值 越 大 ， 结 电 容 值 越 小 。 当 时 ， 称 为 超 突 变 结 ， 其 电 容在 某 一 反 偏 压 范 围 内 随 电 压 变 化 很 陡 ， 一般 可 用 于 电 调 谐 器 件 ； 65.0m当 时 ， 由 于 结 电 容 与 偏 压 平 方 成 反 比 ， 由 结 电 容 构 成 的 调 谐回 路 的 谐 振 频 率 与 偏 压 成 线 性 关 系 ， 有 利 于 压 控 振 荡 器 实 现 线 性 调 频 。 2m当 时 ， 近 似 可 认 为 ， 结 电 容 近 似 不 变 ， 称为 阶 跃 恢 复 结 。 301151m 0m 变容二极管变 容 管 的 工 作 电 压 限 制 在 和 之 间 ， 即 ： BV VVB当 变 容 管 同 时 加 上 直 流 负 偏 压 和 交 流 时 变 偏 压 ， 即 ： tVVtv PPdc cos tVtv PPP cos 为 泵 浦 电 压 mPdcjm PPdc jj tp VCtVV CtC cos1cos1 0 mdcjdcj VCVC 1 0 dcPVVp 时 的 工 作 状 态 称 之 为 满 泵 工 作 状 态 或 满 泵 激 励 状 态 ， 称 为 欠 泵 工 作 状 态 会 欠 泵 激 励 状 态 ， 称 为 过 泵 工 作 状 态 或 过 泵 激 励 状 态 。 1p 1p 1p 变容二极管 时 变 电 容 随 泵 浦 电 压 周 期 变 化 波 形0 0 tC j tjC VdcVBV tvt 是 周 期 为 泵 频 的 周 期 函 数 ,可 以 用 傅 立 叶 级 数 展 开 为 ： P n tjncnn tjnnj PPeC eCtC 0 tdetCC Ptjnjn P21 *nn CC 0CCncn dcj VCC 0 变容二极管1C 称 为 基 波 电 容 ， 它 是 基 波 幅 度 的 一 半 ; cn 称 为 n次 谐 波 电 容 调 制 系 数 、 参 量 激 励 系 数 或 泵 浦 系 数 ， 是 表 示 变容 管 在 交 流 激 励 下 非 线 性 特 性 的 一 个 重 要 参 量 。 mdcj j xVC tC 1 求 得 和 0C cn 曲 线01.61.0 1.0突 变 结线 性 结 曲 线00.50 1.0突 变 结线 性 结 dcj VCC0 011 CCc pp pVCC dcj 0 pCCc 011 变容二极管分 析 变 容 管 特 性 时 ， 有 时 也 使 用 “ 倒 电 容 ” 来 表 征 特 性 ： tS j mPdcjjj tpVStCtS cos11 dcjdcj VCVS 1静 态 工 作 点 倒 电 容 ： n tjnsnn tjnnj PP eSeStS 0 dcj VCC 0 00 11 CVCVSS dcjdcj 0SSnsn 101011 sc SSCC 变容二极管2.3.4 特 性 参 量 表 征 变 容 管 特 性 的 特 性 参 量 除 了 前 面 已 经 介 绍 过 的 相 对 泵 幅 、电 容 （ 电 弹 ） 调 制 系 数 等 以 外 ， 还 有 静 态 品 质 因 数 和 截 止 频 率 ， 以及 动 态 品 质 因 数 和 截 止 频 率 。 静 态 品 质 因 素 dcVQ sdcjs dcjdc RVfCRVCVQ 2 11 它 表 征 变 容 管 储 存 交 流 能 量 与 消 耗 能 量 之 比 ， 越 高 说 明 管 子 损耗 越 小 。 当 偏 压 一 定 时 ， 结 电 容 值 一 定 ， 工 作 频 率 越 高 ， 就 越 低 。 变容二极管 静 态 截 止 频 率定 义 当 频 率 升 高 使 得 的 频 率 为 变 容 管 在 直 流 偏 压 下 的截 止 频 率 dcc Vf 1dcVQ dcV dcc Vf sdcjdcc RVCVf 2 1 上 述 两 个 参 量 是 当 变 容 管 仅 有 直 流 偏 压 作 用 时 性 能 的 表 征 ， 故称 为 静 态 参 量 。 由 于 结 电 容 是 偏 压 的 函 数 ， 因 此 一 般 以 零 偏 压 时 的 及 作 为 比 较 管 子 的 参 数 指 标 。 另 外 一 般 规 定 在 反 向 击 穿 电压 时 的 截 止 频 率 为 额 定 截 止 频 率 ： 0Q 0 cf sBc RCVf min2 1 动 态 品 质 因 数 下 面 两 个 参 量 是 在 直 流 偏 压 和 交 流 泵 浦 共 同 作 用 下 变 容 管 特 性的 表 征 ， 称 为 动 态 参 量 。 变容二极管 动 态 截 止 频 率 和 是 在 直 流 偏 压 和 交 流 泵 浦 共 同 作 用 下 变 容 管 电 容 的 最小 和 最 大 值 。 minC maxC dccsc VfCCRf maxmin 112 1 dcss VQRCCSRSQ 0 011 阶 跃 恢 复 二 极 管 ， 简 称 为 阶 跃 管 （ SRD） 。 利 用 阶 跃 管 由 导通 恢 复 到 截 止 的 电 流 突 变 可 以 构 成 窄 脉 冲 输 出 ， 也 可 以 利 用 其 丰富 谐 波 作 为 梳 状 频 谱 发 生 器 或 高 次 倍 频 器 。 本 节 将 介 绍 阶 跃 恢 复 二 极 管 的 结 构 、 工 作 原 理 及 特 性 参 量 和等 效 电 路 。 2. 4 阶 跃 恢 复 二 极 管 2.4.1 结 构 阶 跃 管 管 芯 结 构 与 掺 杂 浓 度 分 布N +层N层（I层）金属欧姆接触金属P+层氧化层P+ N N+10191015 1019 2.4.2 工 作 原 理 及 特 性 参 量 阶跃恢复二极管1. 阶 跃 管 特 性 301151m 0m 00 01 0 CCVCVC jjj 阶 跃 管 电 压 电 容 特 性0 jC V 0CdC 结 电 容 在 反 偏 时 近 似 不 变 ， 这 种 PN结称 为 阶 跃 恢 复 结 ， 阶 跃 管 正 是 利 用 了 阶 跃恢 复 结 的 特 征 ， 使 得 阶 跃 管 在 反 偏 时 近 似为 一 个 不 变 的 小 电 容 （ 处 于 高 阻 状 态 ， 近似 开 路 ） 。 当 其 处 在 正 偏 时 ， P 区 扩 散 到 N层 的空 穴 由 于 N层 的 掺 杂 浓 度 低 而 复 合 率 低 ，NN+结 由 于 浓 度 不 同 形 成 的 内 建 电 场 由 N+指 向 N方 向 ， 阻 止 空 穴 向 N+层 扩 散 ， 因 而在 N层 中 储 存 了 大 量 的 电 荷 ， 形 成 了 较 大的 扩 散 电 容 （ 处 于 低 阻 状 态 ， 近 似 短 路 ） 。 相 当 于 一 个 电 容 开 关 ， 也 被 称为 电 荷 储 存 二 极 管 。 阶跃恢复二极管2. 工 作 原 理 在 大 信 号 交 流 电 压 激 励 下 ， 正 是 由 于 阶 跃 管 在 正 偏 下 有 大 量 的 电荷 储 存 ， 使 得 它 实 际 上 电 容 的 开 关 状 态 转 换 并 不 发 生 在 外 电 压 由 正 半周 到 负 半 周 的 转 变 时 刻 。 （ 1） 大 信 号 交 流 电 压 正半 周 加 在 阶 跃 管 上 （ 2） 信 号 电 压 进 入 负 半周 （ 3） 大 信 号 交 流 激 励 电 压 的 下 一 个 周 期 来 临 后 正 弦 电 压 激 励 下 阶 跃 管 的 电 流 、 电 压 波 形000 tvS ttt ti tvd 阶跃恢复二极管3.与 混 频 、 检 波 或 高 速 开 关 二 极 管 的 对 比 对 混 频 、 检 波 或 高 速 开 关 二 极 管 来 说 ， 其 整 流 特 性 要 求 注 入 少 子 的寿 命 要 远 小 于 信 号 周 期 。 当 加 在 二 极 管 上 的 正 向 电 压 逐 渐 减 小 时 ， 少 子浓 度 将 逐 渐 减 小 ， 注 入 的 少 子 也 将 很 快 复 合 掉 ， 所 以 当 电 压 从 正 向 转 为反 向 时 ， 几 乎 已 没 有 多 少 剩 余 的 尚 未 来 得 及 复 合 的 存 储 少 子 ， 因 此 只 形成 很 小 的 反 向 饱 和 电 流 ， 其 开 关 特 性 转 换 几 乎 发 生 在 偏 压 由 正 向 转 向 反向 的 同 时 。 由 于 采 取 了 措 施 增 大 了 阶 跃 管 的 少 子 寿 命 ， 这 时 少 子 的 复 合 速 度 跟不 上 交 流 电 压 的 变 化 ， 当 电 压 从 正 向 转 为 反 向 时 ， 正 向 注 入 的 储 存 电 荷远 未 复 合 完 ， 由 势 垒 区 的 电 场 把 剩 余 的 储 存 少 子 “ 吸 出 ” ， 由 此 形 成 较 大的 反 向 电 流 ， 直 到 储 存 电 荷 基 本 耗 尽 ， 反 向 电 流 才 陡 降 为 反 向 饱 和 电 流 。 阶 跃 管 在 交 流 负 半 周 的 相 当 一 段 时 间 内 ， 仍 然 处 于 “ 导 通 ” 状 态 ， 使其 高 频 整 流 作 用 失 效 。 管 子 “ 导 通 ” 与 “ 截 止 ” 两 种 状 态 的 转 换 时 刻 不 再 是外 加 电 压 从 正 变 负 的 时 刻 ， 而 是 在 管 子 储 存 电 荷 基 本 清 除 完 的 时 刻 。 阶跃恢复二极管 正 弦 电 压 激 励 下 阶 跃 管 与 检 波 管 的 比 较000阶跃管检波管 tvS tt ti t ti 阶跃恢复二极管4. 特 性 参 量 阶 跃 管 的 特 性 参 量 主 要 有 少 数 载 流 子 寿 命 、 储 存 时 间 、阶 跃 时 间 、 反 向 击 穿 电 压 、 截 止 频 率 、 反 偏 结 电 容 、 品 质 因 数和 最 大 耗 散 功 率 等 。 其 中 对 阶 跃 管 工 作 有 特 殊 意 义 的 是 少 数 载 流 子寿 命 与 储 存 时 间 和 阶 跃 时 间 。 stst tttt（ 1） 少 数 载 流 子 寿 命 与 储 存 时 间 st 少 数 载 流 子 寿 命 表 示 少 数 载 流 子 由 于 复 合 而 减 少 到 原 值 的 所 需 的 时 间 。 e1的 值 越 大 ， 意 味 着 储 存 电 荷 越 多 ， 反 向 电 流 的 幅 值 就 越 大 。 储 存 时 间 表 示 存 储 电 荷 清 除 过 程 所 需 的 时 间 ， 即 从 电 流 由正 向 跳 变 到 反 向 开 始 ， 直 到 二 极 管 储 存 电 荷 大 部 分 被 清 除 ， 二极 管 上 电 压 为 零 止 的 时 间 。 显 然 越 长 ， 越 大 。 st 阶跃恢复二极管（ 2） 阶 跃 时 间 tt 阶 跃 时 间 全 称 为 阶 跃 恢 复 时 间 ， 表 示 由 反 向 导 通 状 态 变 到反 向 截 止 状 态 所 需 的 过 渡 时 间 ， 工 程 上 定 义 为 反 向 电 流 由 峰 值的 80 （ 或 90 ） 或 下 降 到 峰 值 的 20 （ 或 10 ） 所 需 的 时 间 。 越 小 ， 电 流 阶 跃 越 陡 ， 包 含 的 高 次 谐 波 越 丰 富 。 理 想 阶跃 管 的 阶 跃 时 间 应 有 ， 但 实 际 上 只 能 达 到 几 十 微 微 秒 。 0 tttt 由 于 阶 跃 管 采 用 了 特 殊 结 构 ， 可 以 使 大 量 储 存 电 荷 有 效 地压 缩 在 很 薄 地 N层 范 围 内 ， 这 样 即 加 大 了 少 数 载 流 子 寿 命 ， 又 减小 了 阶 跃 时 间 ， 使 阶 跃 管 工 作 特 性 良 好 。 但 很 薄 的 N层 又 使 阶 跃管 的 反 向 击 穿 电 压 降 低 ， 功 率 容 量 变 小 。 阶跃恢复二极管2.4.3 等 效 电 路 阶 跃 管 等 效 电 路导 通 期 间 截 止 期 间jR DC sR 0C sR 0C 阶 跃 管 电 路 符 号 PIN二 极 管 是 一 种 在 微 波 控 制 电 路 中 应 用 非 常 广 泛 的 器 件 ，具 有 体 积 小 、 重 量 轻 、 控 制 快 、 损 耗 小 、 控 制 功 率 大 等 优 点 ，适 用 于 微 波 开 关 、 限 幅 器 、 可 变 衰 减 器 、 移 相 器 等 电 路 。 本 节 介 绍 PIN二 极 管 的 结 构 、 特 性 和 工 作 原 理 。 2. 5 PIN二 极 管 2.5.1 结 构 PIN二 极 管 的 结 构 是 在 重 掺 杂 的 P+和 N+区 之 间 加 入 一 个 未 掺 杂的 本 征 层 I层 构 成 的 。 实 际 上 不 可 能 真 正 实 现 I层 ， 只 能 使 杂 质 含量 足 够 低 。中 间 层 是 低 掺 杂 的 P型 半 导 体 ， 称 为 P N管中 间 层 是 低 掺 杂 的 N型 半 导 体 ， 称 为 P N管 PIN管 空 间 电 荷 区P 区I区N区 PIN二极管PIN管 管 芯 结 构N 层I层氧 化 层金 属欧 姆 接 触 金 属P 层 N 层I层氧 化 层金 属欧 姆 接 触 金 属P 层 平 面 型 结 构 台 式 型 结 构2.5.2 特 性 由 于 扩 散 作 用 ， 空 穴 和 电 子 分 别 向 I层 扩 散 ， 然 后 在 I层 由 于 复合 作 用 而 消 失 。 同 时 ， 在 P层 和 N层 靠 近 I层 的 边 界 ， 分 别 建 立 起 带 负电 和 带 正 电 的 空 间 电 荷 层 (耗 尽 层 和 接 触 势 垒 ） ， 其 电 场 阻 挡 空 穴 和 电 子 继 续 向 I层 注 入 。 因 此 I层 保 持 本 征 不 导 电 状 态 ， PIN管 不 能 导 通 ，处 于 高 阻 状 态 。 1 直 流 与 低 频 特 性 （ 1） 零 偏 压 下 PIN二极管（ 2） PIN管 加 正 向 偏 压 外 加 电 场 方 向 与 势 垒 电 场 方 向 相 反 ， 势 垒 高 度 将 降 低 ， 空 间 电 荷层 变 薄 ， 因 而 P层 和 N层 的 空 穴 和 电 子 将 向 I层 注 入 ， 并 在 I层 中 因 复 合而 消 失 。 I层 存 在 大 量 的 数 量 相 等 而 符 号 相 反 的 载 流 子 ， 出 现 了 “ 等 离 子 体状 态 ” ， 也 就 是 导 电 状 态 ， 因 此 宏 观 上 电 流 川 流 不 息 地 流 过 PIN管 ，PIN管 呈 现 低 阻 。 外 加 电 压 越 大 ， 正 向 电 流 也 越 大 ， 电 阻 是 降 低 的 。 （ 3） PIN管 加 上 反 向 偏 压 外 加 电 场 方 向 与 势 垒 电 场 方 向 相 同 ， 势 垒 升 高 ， 空 间 电 荷 层变 宽 ， 其 不 导 电 程 度 比 零 偏 压 更 甚 。 如 果 偏 压 是 低 频 的 交 变 电 压 ， 只 要 满 足 交 变 电 压 周 期 ， I层 的 导 电 状 态 完 全 能 够 跟 随 信 号 周 期 的 变 化 ： 正 半 周 导 通 ， 负 半 周截 止 。 PIN二极管PIN管 与 PN结 二 极 管 的 特 性 比 较 ： 在 直 流 和 低 频 偏 压 下 ， PIN管 同 样 具 有 整 流 特 性 ， 这 一 点 与 PN结变 容 管 相 同 。 由 于 在 P层 和 N层 之 间 插 入 了 一 层 未 掺 杂 的 I层 ， 其 耗 尽 层 宽 度加 宽 了 ， 因 此 PIN管 具 有 更 小 的 结 电 容 ， 并 能 承 受 更 高 的 反 向 击 穿电 压 ， 可 处 理 更 大 的 功 率 ； 在 反 偏 压 达 到 一 定 程 度 时 ， I层 完 全 处 于 耗 尽 状 态 ， 结 电 容 相当 于 以 P +和 N+层 为 极 板 的 平 板 电 容 ， 由 于 极 板 间 距 不 会 随 反 偏 压增 大 而 再 增 大 了 ， PIN管 可 看 作 是 一 个 恒 定 电 容 器 件 。 PIN二极管 当 一 个 PIN管 处 在 直 流 （ 或 低 频 ） 电 压 与 微 波 电 压 共 同 作 用 下时 ， 其 特 性 将 发 生 显 著 的 改 变 。 由 于 此 时 微 波 信 号 周 期 ，PIN管 I层 的 导 电 状 态 已 经 来 不 及 跟 随 微 波 信 号 正 负 变 化 了 。 2 微 波 特 性 （ 1） PIN管 处 在 直 流 （ 或 低 频 ） 正 向 偏 压 下 wTmAI 100 0 CIQ 700 105 大 幅 度 微 波 信 号 ： AI 501 在 微 波 信 号 正 半 周 期 间 ， 加 在 PIN管 上 的 总 偏 压 处 于 正 向 状 态 ，这 时 PIN管 是 导 通 和 低 阻 的 ， 大 幅 度 的 微 波 电 流 将 流 过 PIN管 。 微 波 信 号 频 率 为 ： 1000MHzf sTw 910CTIQ 79 11 1025.01021502 PIN二极管 当 微 波 信 号 负 半 周 来 临 了 ， 由 于 微 波 信 号 幅 度 很 大 ， 这 时 加在 PIN管 上 的 总 偏 压 处 于 反 向 状 态 。 反 向 电 场 将 从 I层 中 抽 出 注入 的 电 荷 。 CQQ 712 1025.0 wT 01 II 2020 QQ I层 仍 然 储 存 有 大 量 的 注 入 电 荷 ， 仍 然 处 于 等 离 子 体 状 态 ，必 然 呈 现 低 阻 ， 所 以 PIN管 仍 然 是 导 通 的 。 （ 2） PIN管 处 在 直 流 （ 或 低 频 ） 反 向 偏 压 下 由 于 I层 没 有 了 直 流 注 入 的 电 荷 ， 微 波 信 号 正 半 周 注 入 的电 荷 来 不 及 形 成 导 通 ， 很 快 又 全 部 被 负 半 周 抽 出 ， 因 此 不 论 微波 信 号 的 正 负 半 周 加 在 PIN管 上 ， PIN管 都 是 不 能 导 通 的 ， 在 整个 微 波 信 号 周 期 内 呈 现 高 阻 状 态 。 PIN二极管 由 此 可 见 ， PIN管 的 导 通 仅 来 源 于 处 在 直 流 （ 或 低 频 ）正 向 偏 压 下 ， 这 时 PIN管 类 似 于 一 个 线 性 电 阻 ， 对 于 微 波信 号 正 负 半 周 都 是 导 通 的 ； 当 处 在 直 流 （ 或 低 频 ） 反 向 偏压 下 ， 整 个 微 波 信 号 周 期 内 都 是 不 导 通 的 。 而 且 ， 直 流（ 或 低 频 ） 控 制 电 压 （ 电 流 ） 可 以 很 小 ， 但 能 控 制 很 大的 微 波 功 率 的 通 与 断 ， 这 时 PIN管 广 泛 用 于 微 波 控 制 电 路的 重 要 原 因 之 一 。 结论 PIN二极管3 P N管 特 性 实 际 PIN管 和 反 向 穿 通 特 性P 区 区 N 区零 偏 压反 偏 压 下 穿 通 I 如 果 要 PN管 在 直 流（ 或 低 频 ） 反 向 偏 压 下 呈现 高 阻 状 态 ， 则 反 向 偏 压必 须 大 于 穿 通 电 压 ， 而 不是 理 想 PIN管 的 仅 需 很 小 反偏 压 即 可 。 PIN二极管2.5.3 等 效 电 路 1 正 偏 等 效 电 路 PIN管 等 效 电 路正 向 偏 置 下 反 向 未 穿 通 时 反 向 穿 通 时jR jCsR sjf RRR iR iCjR jCsR js RR jwC 0jCsR2 反 偏 等 效 电 路 PIN二极管3 封 装 等 效 电 路 封 装 PIN管 的 正 反 向 等 效 电 路正 向 反 向fR pCsL 0jC sL pCfR