pin结二极管的性能与应用.doc

pin结二极管的性能与应用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，特意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。1952年和1956年，Hall和Prince分别率先把pin结用作为低频二极管和大功率整流二极管。1958年Uhlir开始把pin结用作为微波二极管。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，如图1所示。对于Si-pin结二极管，其中i型层的载流子浓度很低（约为1013cm-3数量级）、电阻率很高（约为kW-cm数量级），厚度W一般较厚（在10200m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：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1 pin结二极管的两种基本结构（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。基本概念：众所周知，一般p-n结的导电（较大的正向电流以及很小的反向电流）主要是由于少数载流子在势垒区以外的两边扩散区中进行扩散所造成的；扩散区是不存在电场的电中性区。在此实际上也就暗示着载流子渡越势垒区的速度很快，即忽略了存在强电场的势垒区的阻挡作用；当然，这种处理也只有在势垒区较薄（小于载流子的平均自由程）时才是允许的。而对于势垒区厚度较大（载流子平均自由程）的p-n结，则就需要考虑载流子在渡越势垒区的过程中所造成的影响，这种影响主要就是将增加一定的产生-复合电流。但是，对于pin结，虽然它的空间电荷区是在i型层两头的很薄的区域，然而其势垒区（存在内建电场的区域）却是整个的i型层，则其势垒区厚度必将远远大于载流子的平均自由程，因此这时载流子渡越势垒区过程中的产生-复合作用就再也不能忽略了。实际上，pin结的单向导电性也正是由于载流子渡越i型层的特殊过程（复合与产生的过程）所造成的；相反，i型层两边的扩散区却对于pin结导电性能的影响较小。总之，pin结的导电性能与i型层中载流子的复合作用有很大的关系。pin结中载流子的输运导电机理：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，当然这必定是“大注入”；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，如图2所示。在i型层中，由于这种注入，即使得npni2，于是注入的这些电子和空穴将在i型层中发生复合，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，即使得np 1/2pto时，i型层中的载流子寿命相对于信号变化而言即较长，则存储在i型层中的载流子的浓度变化（复合）跟不上信号的变化，即存储在i型层中的电荷不能完全扫出，于是pin结不存在整流作用或者失真问题。这时，pin结就呈现为一个纯电阻动态射频电阻RRF，该电阻RRF可简单地表示为正向直流偏置电流J正向复合Jf的函数：RRF = r(W/A) = W/qni(n+p)A = W2/ J正向复合 to(n+p)A图3 pin结的射频电阻可见，pin结的射频电阻要受到直流偏置电流的控制，如图3所示。对于调制和开关应用，pin结的平均偏置点也可能会随时间发生变化。而且pin结的调制频率的上限决定于其开关速度（主要决定于关断过程的时间反向恢复时间）。因为当pin结从正偏（正偏电流为If）突然转换为反偏（反偏电压为Vr）时，它不会立即关断（即反向电流不会马上降低到0），而是需要经过一段存储时间ts之后，反向电流才开始下降。pin结的存储时间td与i型层中的载流子寿命to和串联电阻Rs有关：td = to ln(1+If/Ir)图4 串联射频开关电路式中的Ir是关断时的反向电流，Ir = Vr/Rs。而pin结关断过程的下降时间与掺杂浓度分布和几何尺寸有关。存储时间与下降时间的总和就称为反向恢复时间。这种反向恢复特性就决定了pin结开关速度（即静态偏置工作点的切换速度）的上限。（5）pin结的应用：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和衰减器。图4示出了一种串联射频开关电路：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。射频信号的衰减器和调制器：图3表明，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）。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。射频限幅器：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。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。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，pin结二极管也可以作为较高灵敏度的核辐射探测器使用，实际上这也就是最通用的一种探测器。主要参考资料