pin管
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② 频信号的衰减器和调制器： pin 结二极管的射频电阻随直流偏置电流而连续变化， 因此能够通过改变直 流偏 置电流来实现衰减和调制射频信号。 实际上， 射频信号的转换也就是衰减和调制的一 种 特殊情况。调制频率要受到反向恢复时间的限制；为了提高 pin 结二极管的调制频 率，就应 。 该减短 i 型层中的载流子寿命和减小串联电阻 Rs（以增大关断时的反向 电流） 。
pin 管原理及在光电探测中的应用
摘要： 本文简单介绍了 pin 光电二极管的原理特性及主要应用。 针对 pin 管和最重要——光 电探测， 进行了较为深入的理论分析， 并结合深圳市兴博科技有限公司生产的光电探测器的 具体参数阐述探测器原理。 关键词：pin 管，光电探测，响应速度。 引言：pin 管作为一个应用非常广的光电二极管，与雪崩二极管比较，具有响应频率高，响 应速度快，供电电压低，工作十分稳定的优点。对于其具体的原理特性，前人已经有了很多 的研究。本文主要针对其在光电探测上，结合具体的参数特性进行较为深入的理论分析。
3. PIN 管在光电探测中的应用研究：
3.1.硅pin光电探测器举例：
特点：
高响应度 高速率 低暗电流 小电容 平窗结构
应用：
光通信 工业自动化系统 光功率计 测距 可见光至近红外光领域的光探测
最大额定值：
工作温度（℃） 存储温度（℃） 正向电流（mA） 反向电流（µA）
-40～+85 -40～+85 10 1000
PIN 二极管与雪崩二极管比较: PIN 光电二极管响应频率高，可高达 10GHZ，响应速度快，供电电压低，工作十分稳 定。 雪崩二极管灵敏度高，响应快，但雪崩二极管需要上百伏的工作电压，而且性能和入射光功 率有关，当入射光功率大时，增益引起的噪声大，带来电流失真。
2．pin 管的应用举例：
① 频信号的转换开关 因为 pin 结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 0 偏 或者反偏 时，即可把 pin 结看作为一个电容器或者开路。
λc 为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。 以 Si 为材料的光电二极管,λc=1.06μm；以 Ge 为材料的光电二极管，λc=1.60μm。 利用光电效应可以制造出简单的 PN 结光电二极管。但这种光电二极管结构简单，无 法降低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。 （2）PIN 光电二极管 1）PIN 光电二极管的结构 PIN 光电二极管是在掺杂浓度很高的 P 型、N 型半导体之间，生成一层掺杂极低的本 征材料，称为 I 层。在外加反向偏置电压作用下，I 层中形成很宽的耗尽层。结构如图 1 所 示。 由于 I 层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的 电子—空穴对，因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I 层两侧的 P 层、N 层很薄，光生 载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。
图 4 光检测器电路及等效电路
式中，ε 为材料的介电常数，A 为结面积，W 为耗尽区厚度。 ②载流子漂移通过耗尽区的渡越时间，设上升时间为：ιdr 光电二极管的响应速度主要受到耗尽区内的载流子在电场作用下的漂移通过所需时间 (即渡越时间)的限制。渡越时间：
式中，vd 为光身载流子的漂移速度。 漂移运动的速度与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比于电场强度，当电 场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。 ③耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟，设上升时间为：ιdi。耗尽区外产生的载流 子一部分复合，一部分扩散到耗尽区，被电路吸收。 由于扩散速度比漂移速度慢得多，因此，这部分载流子会带来附加时延，会使输出电 信号脉冲拖尾加长。 总的上升时间为：
光电特性（T = 25℃,Vr =15 V, λ = 900 nm ）
参 数 φ0.5 0.2 φ1 1.0 φ2 2.0 400~1100 900+/-50 0.5 15 1.2 1.2 1 同轴 二型 15 2 2 3 TO-5501 15 5 5.5 3 TO-5 15 10 20 5 TO-8 20 25 35 5 φ4 4.0 φ6 6.0 光敏面直径(mm) 响应光谱（nm） 峰值波长（nm） 响应度（A/W） 工作电压（V） 暗电流（nA） 结电容（pF） 响应时间（ns） 封装型式
③射频相移器的选择开关： 射频信号的相移器可以采用不同长度的传输线来实现， pin 结二极管能够作为选择 这些传输线的开关使用。
③ 频限幅器： pin 结二极管在射频时就好像一个纯电阻——射频电阻，但是这只有在射频信号处 于临 界电平之下时才成立；如果在临界电平之上时，则射频电阻降低，pin 结二极管即类 似于直 流电阻的性能。这种特性就使得 pin 结二极管可以用来保护雷达接收机（二极管采 用并联连 接） ，以避免过大的发射功率。
TO-46封装尺寸及管脚定义
响应曲线
/通用格式 /通用格式 响应度Re（A/W） /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 波长um
/通用格式
4Ⅱ
/通用格式
电容（PF）
光检测器的功能 光检测器的主要功能是将光信号转换为电信号。光检测器是光接收模块的重要部件。 目前光纤通信系统中使用的光检测器主要是移相开关二极管， 即 PIN 二极管。 PIN 二极管对 低频信号具有整流作用，而对高频信号，却只有阻抗作用。阻抗值的大小决定于中间层。当 中间层为正偏时，因为有载流子注入中间层，器件呈低阻；而当中间层处于零偏或反偏时， 器件呈高阻。从而可以用于信息的检测。 光检测器的一个重要性质就是接收灵敏度，它是外入光信号使接收器工作必须具有的 最小功率。应该指出，接收器灵敏度是针对一定范围的光波长而言的。 光纤通信系统对光检测器的要求： （1）在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光 电流； （2）响应速度快，线性好及频带宽，使信号失真尽量小。 （3）噪声低，器件本身对信号的影响小； （4）体积小、寿命长、高可靠、工作电压低等。
⑤大功率整流器： 由于 i 型层较厚，则 pin 结二极管的击穿电压很高，从而它能够承受很高的工作电 压； 同时二极管在工作时，i 型层中存在大量的两种类型的载流子，将会产生电导调变效 应，从 而正向压降很低。所以 pin 结二极管是一种很好的大功率整流器。
⑥光电探测器： 在 pin 结中，因为有内建电场的区域（i 型层）较宽，则使得入射光几乎能完全被 i 型 层所吸收、和转变为光生载流子，因而 pin 结二极管作为光电探测器使用时，可以获 得较大 的探测灵敏度。 基于同样的理由， 结二极管也可以作为较高灵敏度的核辐射探测 器使用， pin 实际上这也就是最通用的一种探测器。
其中，P0 为入射到光电二极管上的光功率；Ip 为所产生的光电流。它的单位为 A/W。 3）量子效率 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与 入射光子数之比，即： η=(光电转换产生的有效电子-空穴对数)/入射光子数
其中,e 为电子电荷，其值为 1.6× 10-19 C。所以有：
检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。 首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不 能进行光电转换。 其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。
Si―PIN 光电二极管的波长响应范围为 0.5～1μm。Ge―PIN 和 InGaAs―PIN 光电二极 管的波长响应范围约为 1～1.7μm。 2）响应度 响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为：
1. 工作原理：
在光电二极管的 PN 结中间掺入一层浓度很低的 N 型半导体，就可以增大耗尽区的宽 度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎 本征（Intrinsic）半导体，故称 I 层，因此这种结构成为 PIN 光电二极管。I 层较厚，几乎占 据了整个耗尽区。 绝大部分的入射光在 I 层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。 在 I 层两侧 是掺杂浓度很高的 P 型和 N 型半导体，P 层和 N 层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光 产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。 通过插入 I 层，增大耗尽区宽度达到了减小扩散分量的目的，但是过大的耗尽区宽度 延长光生载流子在耗尽区内的漂移时间，反而导致响应变慢，因此耗尽区宽度要合理选择。 通过控制耗尽区的宽度可以改变 PIN 观点二极管的响应速度。 pin 结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 1 所示。对于 Si-pin133 结二极管，其中 i 型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 型层两边的 p 型和 n 型半导体 的掺杂浓度通常很高（即为重掺杂） 。 平面结构和台面结构的 i 型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。
式中,λ 单位取 μm。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大。 图 2 为 PIN 光电二极管的响应度、量子效率与波长的关系。可以看出，响应度、量子 效率随着波长的变化而变化。为提高量子效率，必须减少入射表面的反射率，使入射光子尽 可能多地进入 PN 结；同时减少光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子 在耗尽区内被充分吸收。
4）响应速度 响应速度是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间） ， 如图 3 来表示
