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pin二极管压控衰减器的原理与设计

pin二极管压控衰减器的原理与设计PIN二极管压控

衰减器的原理与设计一、实验目的1．在了解衰减器的

基本理论的基础上了解压控衰减器的控制原理；2．利用

实验模组实际测量以了解压控衰减器的特性；3．了解压

控衰减器的设计方法。

二、实验原理在这里我们先简单介绍PIN二极管。

PIN二极管可应用于作为高频开关和电阻范围从小于1Ω

到10kΩ的可变电阻器（衰减器），射频工作信号可高达

50GHz。

其结构像三明治一样，在高掺杂的批P+和N+层之间夹有

一本征的（I层）或低掺杂半导体的中间附加层。

中间层的厚度在1到100um间，这取决于应用要求和频率

范围。

在电压是正向时，这二极管表现为像是一个受所加电流控

制的可变电阻器。

然而在电压反向时，低掺杂的内层产生空间电荷，其区域

达到高掺杂的外层。

这种效应即使在小的反向电压下就会发生，直到高电压下

基本上保持恒定，其结果使这二极管表现为类似于平行板电

容器。

举例来说，具有内1层厚度为20um的硅基PIN二极管，

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表面积为200um，其扩散电容的量级为0.2pF。

一般形式的PIN二极管及经台面处理的实用器件列于图

1，与常规的平面结构相比，台面行位的优点是杂散电容的

大为减少。

其I-Vt特性的数学表述与电流的大小和方向有关。

为保持处理简易，我们将在很大程度上按照对PN结已列

出过的论述来进行。

在正向情况并对轻掺杂型本征层，流过二极管的电流为：

式（12-1）这里W是本征层宽度；Гp是过剩的少数载流

子寿命，它可有高到1us的量级；ND是轻掺杂N型半导体

中间层中的掺杂浓度。

式中指数项中的因子2是考虑到存在有两个结。

对于纯本征层ND=ni，（1）式导致以下形式：

式（12-2）（a）PIN二极管的简化结构（b）经台面处理

技术加工成PIN二极管结构图12-1PIN二极管结构由关系

式Q=IГp，可计算出总电荷。

这样就可求出扩散电容：

式（12-3）在反情况，这I层的空间电荷长度对电容起支

配作用。

在小电压下CJ近似为：

式（12-4）这里εI是本征层的介电常数。

如在肖特基二极管中讨论过的那样，通过在Q点附近的

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泰勒展开可求出PIN二极管的动态电阻。

其结果：

式（12-5）这里，对照式（12-1），可令。

依照PIN二极管在正偏置（导通）下的电阻性质和在负

偏置（断开或绝缘）下的电容性质，我们可以着手构筑简单

的小信号模型。

对PIN二极管在串联情况下，其电路模型示意于图12-2，

其两端分别接有电源和负载电阻。

由式（12-3）和式（12-4）式导出的结电阻和扩散电容可

以在实用上很近似地模拟PIN二极管的性能。

更加定量化的信息是通