什么是PiN二极管？

电子电路中的二极管大家都比较熟悉了，其原理主要基于PN结的单向导电性。而电力二极管为了承受高电压和大电流，内部结构和PN结有所不同，一般采用的结构如图1所示，中间较宽的为低掺杂浓度的N-漂移区（也称为基区），两边较窄的为高掺杂浓度阳极P+区域和阴极N+区域，称为末端区。N-漂移区与两个末端区交界面分别形成P+N-结和N-N+结。由于N-漂移区掺杂浓度很低，类似于本征半导体（Intrinsic），因此这种结构的二极管也称为PiN二极管。

图1 PiN二极管结构及符号

从应用的角度看电力二极管主要有两种类型：整流二极管和续流二极管。

整流二极管，主要用于50Hz或60Hz的电网频率，由于电流的换向速度很慢，因此开关损耗起次要作用。整流二极管的封装类型根据功率等级的不同主要有螺栓型，平板型等，如图2所示。整流二极管的反向恢复时间较长，多用于开关频率低于1kHz的场合，因此器件手册列表中没有给出反向恢复特性这项参数。

图2 整流二极管图片

续流二极管（Free Wheeling Diode, FWD）在电力电子电路中主要起续流作用。因为电力电子大部分应用场景为感性负载，在功率器件IGBT或MOSFET的关断暂态，要给负载电流提供续流通道。为了配合IGBT或MOSFET高速开关，续流二极管也需要在导通状态与阻断状态快速转换。因此一般选择快速恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）或者肖特基二极管（Schottky Barrier Diode, SBD）来作为续流二极管。

其中SBD相比FRD速度更快，反向恢复电流更小，正向压降也更低，但是所能承受的反向电压也比较低，一般多用于200V以下的低压场合（Si SBD）。然而SiC材料的应用，使得SiC SBD的反向阻断能力至少可达3000V以上[1]。目前部分高压IGBT混合功率模块内部的续流二极管采用的就是SiC SBD，此类器件可有效降低二极管的反向恢复损耗，但是成本相对较高，并没有得到推广。因此，基于Si材料的PiN FRD还将继续发挥重要作用。

图3 SiC-SBD和Si-FRD 对比

PiN 续流二极管一般以两种形式存在，一种是和IGBT芯片一块封装进一个模块。另外也可以单独封装。由于续流二极管一般配合IGBT使用，考虑到安装问题，两者的封装形式基本一致，如图4所示。

图4 IGBT和 PiN FRD 图片

整流二极管在应用过程中相对比较皮实，只要散热和电压不出问题，器件本身比较可靠。而续流二极管为了配合IGBT或MOSFET高频开关，需要在短时间内实现开通或关断，如果在应用时不注意很容易出现失效现象，因此我们重点讨论一下续流二极管。

在这里希望大家建立一种概念，功率器件除了由于自身老化原因导致的失效外，绝大部分是在电磁瞬态过程中发生的失效，因此在变流器的前期研发过程中，一定要对器件的

同时，由于PiN二极管的不可控特性，在电力电子系统中属于被动器件，其重要性也往往被忽视。我们都知道，IGBT门极驱动可以做各种保护措施（短路、过压等），而二极管没有任何保护措施，完全是“裸跑”。因此，续流二极管应该需要得到你更多的“呵护”。

为了用好PiN二极管，我们需要重点关注它的两个特性，分别为：

① 正向恢复特性:

PiN二极管开通瞬态，阳极和阴极分别将空穴和电子注入到两端的P+N-结和N-N+结，然后，电子和空穴一边向N−基区扩散，一边复合。由于开通瞬态阳极电流快速增加，但电子和空穴的扩散速率有限，在瞬态情况下，低掺杂的N-基区载流子浓度很低，所以有较高的电阻。因此在导通初期，二极管的正向压降随电流逐渐增大。随着时间积累，N-基区过剩载流子不断累积，浓度逐渐增大，形成电导调制，二极管的导通压降逐渐恢复至正常值。

图5为PiN二极管正向恢复波形，PiN二极管的正向恢复电压主要对IGBT的关断过电压有影响，在一定程度上会加剧IGBT的过压尖峰。

图5 PiN 二极管正向恢复特性

② 反向恢复特性

PiN二极管在正向导通时，N-基区由于电导调制存在大量的过剩载流子。当突然施加一个反向偏压时，需要将这些过剩载流子移出，形成反向恢复电流。基区过剩电子和空穴的消除存在两种机理：一种是因空间电荷区的扩展被电场扫出，形成的扫出电流。扫出电流主要存在于反向恢复的初期。另一种是拖尾电，由于在二极管反向恢复的后期，器件已经承受反向偏压，此时载流子主要依靠剩余载流子的复合消除，复合寿命的长短决定了反向恢复电流的拖尾时间。图5为PiN二极管反向恢复波形，PiN二极管的反向恢复特性不仅加剧了IGBT开通暂态电流尖峰，反向恢复电流的后边沿与回路寄生电感作用，会在二极管上形成反向过压。

图5 PiN 二极管反向恢复特性

通俗的讲，二极管开通和关断都是需要时间的，开通的太快，二极管不能完全打开，因此导通电阻很大。关断的太快，二极管也不能完全截止，还有一定的反向电流。

平常我们一般对PiN二极管的反向恢复特性比较关注，因为我们在评估器件散热时，PiN二极管开关损耗主要就是反向恢复损耗，同时反向恢复特性的软度决定了二极管的过电压。事实也是如此，二极管的很多失效就是在反向恢复过程中发生的。

二极管的正向恢复特性虽然不像反向恢复特性对器件本身的影响那么大，但也有必要了解一下，因为二极管正向恢复特性对IGBT有源钳位电路设计有一定的影响，后面我们在详细讨论该问题。

内容转载自 耿博士电力电子技术，仅供学习交流使用，如有侵权，请联系删除。如果你还想了解更多关于电子元器件的相关知识及电子元器件行业实时市场信息，敬请关注微信公众号 【上海衡丽贸易有限公司】

科普：PIN二极管的原理和应用

一、PIN二极管的原理和结构

一般的二极管是由N型杂质掺杂的半导体材料和P型杂质掺杂的半导体材料直接构成形成PN结。而PIN二极管是在P型半导体材料和N型半导体材料之间加一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层。

PIN二极管的结构图如图1所示，因为本征半导体近似于介质，这就相当于增大了P-N结结电容两个电极之间的距离，使结电容变得很小。其次，P型半导体和N型半导体中耗尽层的宽度是随反向电压增加而加宽的，随着反偏压的增大，结电容也要变得很小。由于I层的存在，而P区一般做得很薄，入射光子只能在I层内被吸收，而反向偏压主要集中在I区，形成高电场区，I区的光生载流子在强电场作用下加速运动，所以载流子渡越时间常量减小，从而改善了光电二极管的频率响应。同时I层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使灵敏度得以提高。

图1 PIN二极管的结构示意图

PIN二极管的基本结构有两种，即平面的结构和台面的结构，如图2所示。对于Si-pin133结二极管，其中I层的载流子浓度很低（约为10cm数量级）电阻率很高、（约为k-cm数量级），厚度W一般较厚（在10～200m之间）；I层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高。

平面结构和台面结构的I层都可以采用外延技术来制作，高掺杂的p+层可以采用热扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。而台面结构二极管还需要进行台面制作（通过腐蚀或者挖槽来实现）。台面结构的优点是：

①去掉了平面结的弯曲部分，改善了表面击穿电压；

②减小了边缘电容和电感，有利于提高工作频率。

图2 PIN二极管的两种结构

二、PIN二极管在不同偏置下的工作状态

1、正偏下

PIN二极管加正向电压时，P区和N区的多子会注入到I区，并在I区复合。当注入载流子和复合载流子相等时，电流I达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低，所以当PIN二极管正向偏置时，呈低阻特性。正向偏压越大，注入I层的电流就越大，I层载流子越多，使得其电阻越小。图3是正偏下的等效电路图，可以看出其等效为一个很小的电阻，阻值在0.1Ω和10Ω之间。

图3 正向偏压下PIN二极管的等效电路图和正向偏压电流与正向阻抗特性曲线图

2、零偏下

当PIN二极管两端不加电压时，由于实际的I层含有少量的P型杂质，所以在IN交界面处，I区的空穴向N区扩散，N区的电子向I区扩散，然后形成空间电荷区。由于I区杂质浓度相比N区很低，多以耗尽区几乎全部在I区内。在PI交界面，由于存在浓度差（P区空穴浓度远远大于I区），也会发生扩散运动，但是其影响相对于IN交界面小的多，可以忽略不计。所以当零偏时，I区由于存在耗尽区而使得PIN二极管呈现高阻状态。

3、反偏下

反偏情况跟零偏时很类似，所不同的是内建电场会得到加强，其效果是使IN结的空间电荷区变宽，且主要是向I区扩展。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。图4是反偏下PIN二极管的等效电路图，可以看出电阻范围在1Ω到100Ω之间，电容范围在0.1pF到10pF之间。当反向偏压过大，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。

图4 反向偏压下PIN二极管的等效电路图和反向偏压电流与反向电容特性曲线

三、PIN二极管作为射频开关

3.1 工作原理

因为 PIN二极管的射频电阻与直流偏置电流有关，所以它可以用作为射频开关和衰减器。串联射频开关电路：当二极管正偏时，即接通（短路）；当二极管零偏或者反偏时，即可把带宽:不仅开关的最高工作频率会受到限制，最低工作频率也会受到限制，如PI N 管就不能控制直流或低频信号的通断。受管子截止频率的影响,开关还有一个上限工作频率。要求开关的频带尽量宽，因为信号源的频带越来越宽。

3.2 性能参数

插入损耗和隔离度：插入衰减定义为信号源产生的最大资用功率P 与开关导通时负载获得的实际功率P 之比，即P / P 。若开关在关断时负载上的实际功率为P ，则表示隔离度，写成分贝的形式：

根据网络散射参量的定义，有：

理想开关，在断开时衰减无限大，导通时衰减为零，一般只能要求两者比值尽量大。由于PI N 管的阻抗不能减小到零，也不能增大至无限大，所以实际的开关在断开时衰减不是无限大，导通时也不是零，一般只能要求两者的比值应尽量大，开关的导通衰减称插入损耗，断开时的衰减称为隔离度，插入损耗和隔离度是衡量开关质量优劣的基本指标。目标是设计低插入损耗和高隔离的开关。

功率容量： 所谓开关的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二极管的功率容量主要受到以下两方面的限制，管子导通时所允许的最大功耗；管子截止时所能承受的最大反向电压，也就是反向击穿电压。如果开关工作的时候超过了这些限制，前者会导致管内温升过高而烧毁；后者会导致I区雪崩击穿。它由开关开、关状态下允许的微波信号功率的较小者决定。大功率下的非线性效应(IIP3 )也是开关的承受功率的一个主要因素，特别是在移动通信基站中。

驱动器的要求： PI N 管开关和FET 开关的驱动电路是不同的，前者需要提供电流偏置，后者则要求有偏压，驱动器好坏是影响开关速度的主要因素之一。

开关速度： 指开关开通和关断的快慢，在快速器件中是一个很重要的指标。可以列出I区中的电流方程如下：

开关速度提高到ns量级，通常采用I层很薄的PIN管，因为薄I层中贮存的载流子数量很少，开关时间大大缩短，这种情况下开关时间基本取决于载流子渡越I层的时间，而与载流子寿命无关。提高开关速度也可选用载流子寿命短的管子，增大控制电流的脉冲幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向击穿电压的限制。

电压驻波比(VSWR)： 任何在高频信号通道上的元器件不仅会产生插入损耗，也会导致信号传输线上的驻波的增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成的，这种干涉经常是系统中不同部分的阻抗不匹配或者是系统中连接点的阻抗不匹配造成的。

开关比： 一个PIN管，在不考虑封装寄生参量时，其正向状态可用正向电阻R1表示，反向状态可以用反向串联电阻R2和I层容抗jXc，串联表示。由于 >>R2，，故反向状态可近似以jXc表示，我们称正反两种状态下阻抗的比值Xc／R1为开关比，用以衡量PIN开关的优劣。如要使开关比增大，则C和R2必须比较小，可以看出，当频率提高时，开关性能降低。

四、应用举例

PIN二极管在立创商城商城上也有销售，如：

点击图片查看商品详情

点击图片查看商品详情

点击图片查看商品详情

五、总结

本文介绍了PIN二极管的结构和工作原理，同时分析了其在各种偏压下的工作状态以及等效电路，最后对PIN二极管作为射频开关进行了系统的介绍。PIN二极管相比于普通二极管增加了一层本征层（I层），使得其用途及其广泛，尤其是在射频领域和光电探测方面。因此，深入研究PIN二极管的原理和特性是很有意义的。

来源：网络整理，如涉及版权问题，请及时联系删除

相关问答

PIN光敏二极管的工作原理?

PIN型光电二极管也称PIN结二极管、PIN二极管,在两种半导体之间的PN结,或者半导体与金属之间的结的邻近区域,在P区与N区之间生成I型层,吸收光辐射而产生光电...

PIN结是什么结?做什么用?-小红薯5D414850的回答-懂得

与普通PN结不同,在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片。因基区很薄,反向恢复电荷很小,这样做成的二极管叫做PIN结型二极管,快恢复二...

PIN光电二极管的基本工作原理是什么?

普通二极管在反向电压作用时处于截止状态,只能流过微弱的反向电流,光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光.光电二极管...

IN4937是什么二极管-8GBEinqQieg的回答-懂得

快恢复二极管。快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电...

芯片的pin参数?

芯片pin参数:1.插入损耗:开关在导通时衰减不为零,称为插入损耗2.隔离度:开关在断开时其衰减也非无穷大,称为隔离度3.开关时间:由于电荷的存储效应,...

IN4937是什么二极管-184****9765的回答-懂得

IN4937是快恢复二极管。主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。快恢复二极管...

x12sl是什么电子元件?

x12sl是快恢复二极管电子元件。快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器...

怎么样接一个闪烁发光二极管,限流电阻阻值是多少-ZOL问答

发光二极管工作电流取10mA,则限流电阻R=(28-2.5)/10=2.3(KΩ),取标称值2.4KΩ。发光二极管的阳极接电压的正极,阴极通过该限流电阻接电压的负极。有用(0)回复...

高速电子元件是什么?

常见的高速电子元件包括:高速晶体管:如射频晶体管(RFTransistor)、微波晶体管(MicrowaveTransistor)等。高速二极管:如快恢复二极管(FastRecovery....

光接收电路的基本组成?

在光通信系统中,对光电探测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高。光电检测过程的基本原理是光吸收。在光通信系统中常用的光电检测器是PIN...