PIN光電二極管原理

PIN光電二極管與傳統(tǒng)的PN結(jié)二極管相比在結(jié)構(gòu)上有所不同。所謂的PIN二極管指的是在原有的PN結(jié)型二極管的N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體間再增加一層本征半導(dǎo)體(I層)，這使得PN結(jié)型二極管結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這就導(dǎo)致了其性能也與PN結(jié)型的二極管有所不同。PIN光電二極管的性能優(yōu)異，它的靈敏度很高，體積小，可靠性高。廣泛的應(yīng)用在工業(yè)，軍事，科研等領(lǐng)域。具有較為寬廣的市場(chǎng)前景。

圖 PIN光電二極管
 
PIN光電二極管的基本原理
在制造PIN半導(dǎo)體的時(shí)候，I層本征半導(dǎo)體層達(dá)不到絕對(duì)的純凈。當(dāng)中或多或少都摻雜了一些P型雜質(zhì)(空穴較多)，或N型雜質(zhì)(電子較多)。下面以I層中摻雜了P型雜質(zhì)為例進(jìn)行說(shuō)明。PIN半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖 PIN光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)
 
在零偏置電壓的狀態(tài)下，I區(qū)與N區(qū)的界面，由于I層摻雜有少量的P型雜質(zhì)，所以這時(shí)I區(qū)與N區(qū)間就相當(dāng)于形成了一個(gè)PN結(jié)。N區(qū)的電子向I區(qū)擴(kuò)散，I區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，I區(qū)與P區(qū)上就形成了一個(gè)空間電荷區(qū)。N區(qū)的電子濃度很高，所以N區(qū)一邊的空間電荷區(qū)很薄。I區(qū)的摻雜濃度較低，整個(gè)空間電荷區(qū)的大小幾乎與I層的空間電荷區(qū)大小相等。如下圖所示。

圖 I區(qū)與N區(qū)的載流子移動(dòng)
 
相較之下，P區(qū)與I區(qū)之間的載流子擴(kuò)散很小，幾乎可以忽略。所以在零偏置電壓的狀態(tài)下，I區(qū)與N區(qū)間的空間電荷區(qū)的載流子幾乎被耗盡，成高阻抗?fàn)顟B(tài)。I區(qū)與P區(qū)載流子移動(dòng)很少。整體呈高阻狀態(tài)。
 
在電壓正偏的狀態(tài)下，P區(qū)的空穴在正向電壓的作用下被注入I層，N區(qū)的電子也被注入I層。電子與空穴在I層中復(fù)合。在外加電場(chǎng)的作用下，I區(qū)與N區(qū)間的空間電荷區(qū)變小。當(dāng)I區(qū)中的載流子復(fù)合數(shù)目與注入的載流子數(shù)目相等時(shí)，電流穩(wěn)定。I區(qū)在正向偏壓的作用下，源源不斷的得到載流子。I區(qū)中的載流子不斷增多，I區(qū)成低阻狀態(tài)。所以PIN二極管的整體呈低阻狀態(tài)。原理如下圖所示。

圖 正向偏壓
 
在施加反向電壓時(shí)，I區(qū)與N區(qū)在反向電壓與內(nèi)電場(chǎng)的共同作用下，使得空間電荷區(qū)增加。當(dāng)不斷增加反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)不斷的向I區(qū)擴(kuò)展。最后使得I區(qū)完全成為空間電荷區(qū)。當(dāng)電壓達(dá)到一定時(shí)，PIN二極管被擊穿。因?yàn)榇藭r(shí)的I區(qū)已經(jīng)變味空間電荷區(qū)，所以反向擊穿的狀態(tài)可以參考PN結(jié)二極管的擊穿狀態(tài)。原理如下圖所示。

圖 反向偏壓
 
PIN光電二極管與普通二極管的異同
在低頻應(yīng)用領(lǐng)域，PIN光電二極管與一般的PN結(jié)型二極管沒(méi)有什么不同，它們都具有整流的作用。但在高頻甚至在微波領(lǐng)域的應(yīng)用中，由于PIN 二極I層的總電荷主要由偏置電流產(chǎn)生。而不是由微波電流瞬時(shí)值產(chǎn)生，所以PIN二極管對(duì)微波信號(hào)只呈現(xiàn)一個(gè)線性電阻。此阻值由直流偏置決定，正偏時(shí)阻值小，接近于短路，反偏時(shí)阻值巨大，接近于開(kāi)路。因此PIN 二極管對(duì)微波信號(hào)不產(chǎn)生整流作用。