PIN二极管的原理和应用.doc
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1、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
2、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1PIN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10200m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
3、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:去掉了平面结的弯曲部分,改善了表面击穿电压;减小了边缘电容和电感,有利于提高工作频率。图2PIN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0.1和10之间。
4、图3正向偏压下PIN二极管的等效电路图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P
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