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pin结

Pin结

pin结是在开发出pn结以后所发展出的一种改进型结构,即是在p型半导体与n型半导体之间,加上一层较厚的本征层(i型层)而构成的一种特殊形式的pn结。

pin结的重要性及其应用价值主要有两个方面:一是pin结二极管是一种重要的微波两端器件,也是一种重要的高压两端器件;另一方面,可以说pin结是各种功率器件(包括大功率晶体管和晶闸管)工作的基础,也是分析各种功率器件物理性能的出发点。

(1)pin结二极管的基本结构

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,对于Si-pin结二极管,其中i型层的载流子浓度很低、电阻率很高,厚度W一般较厚(;i型层两边的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。

pin结

(2)pin结的导电机理

pin结就是在pin结的空间电荷区分别在i型层两边的界面处,而整个的i型层中没有空间电荷,但是存在由两边的空间电荷所产生出来的电场——内建电场,所以pin结的势垒区就是整个的i型层。

(3)pin结中载流子的输运:

当pin结处于正偏时,势垒高度降低,则电子和空穴分别从两边大量注入到本征的i型层,这时就不能区分多数载流子和少数载流子了,即可以认为i型层中的电子浓度等于空穴浓度(n=p),并且均匀分布,在i型层中,由于这种注入,使得这些电子和空穴发生复合,并从而形成较大的通过pin结的电流。可见,pin结的正向电流从性质上来说,它是非平衡载流子在i型层中的复合电流,载流子的复合越快,电流就越大。

当pin结反偏时,势垒中的电场增强,势垒高度增大,则i型层中的载流子将进一步减少,于是在i型层中将发生载流子的产生作用——产生出额外的电子和空穴(非平衡载流子);然后这些产生出的非平衡载流子被电场扫向两边的p区和n区,并从而形成通过pin 结的反向电流。可见,pin结的反向电流从性质上来说,它也是在i型层中形成的电流——产生电流;i型层中产生载流子的作用越强,反向电流就越大。

一般p-n结主要是由于少数载流子在两边扩散区中进行扩散而导电;pin结则主要是由于载流子在i型层中的复合-产生作用而导电。

(4)pin结的单向导电性——伏安特性

对于Si、Ge等间接能带结构的半导体,其中载流子的复合与产生,都是通过复合中心——间接过程来实现的。所以,对于Si、Ge等的pin结,其正向电流和反向电流的大小,则将主要决定于i型层中复合中心的数量及其性质。

i型层中复合中心的产生电流与复合中心的浓度有关;同时,i型层的产生电流还与i型层厚度(W)有关。因为i型层的厚度基本上不随反向电压而变化,所以pin结的反向电流也就与反向电压无关。如果i型层中的复合中心浓度不是很大,则反向电流的数值也一定较小。

总之,pin结的伏安特性可以统一表示为

J = J S [exp(qV/2kT) 1]

当电压V取正值时,即得到指数式上升的特性曲线;当电压V取负值时,即得到反向饱和电流JS。可见,这与一般p-n结伏安特性的形式基本相同(只是曲线上升的速度稍微缓和一些)。因此,pin结也与一般p-n结一样具有很好的单向导电性。

(5)pin结的应用:

①射频信号的转换(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。

②射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。

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,而pin结二极管能够作为选择这些传输线的开关使用。

④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。

5.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。