pin结二极管的性能与应用

pin结二极管的性能与应用

Xie M. X. (UESTC，成都市)

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k?-cm数量级），厚度W一般较厚（在10～200μm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。 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。

①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

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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。

②pin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np>ni2，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

总之，pin结的导电机理不同于一般的p-n结。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（两边扩散区中少数载流子的扩散过程则由于其浓度梯度很小而可以忽略）。

图2 pin结在正偏下的载流子浓度分布

（3）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。

因为最有效的复合中心是能级靠近禁带中央的那些杂质和缺陷，它们的净复合率U最大，根据间接复合的SRH理论，可以给出为：

Umax = (ni/2τo) exp(qVF/2kT)

其中VF为加在pin结上的正向电压，τo为i型层中浓度为Nt、复合截面为σo的复合中心的有效复合寿命（τo = ( σovth Nt )–1）。把Umax对整个i型层（设厚度为W）进行积分，就得到正偏pin结复合中心所引起的总的复合电流密度：

J正向复合 = (qniW/2τo) exp(qVF/2kT)

这就是pin结的正向电流密度。可见，正向电流与正向电压之间基本上有指数函数的关系（这种关系稍微弱于一般p-n结的正向特性[指数上多出了一个2]）；并且复合电流与i型层中的复合中心浓度直接有关（复合中心越多，寿命τo就越短，则复合电流越大）；同时，还与i型层厚度（W）有关。pin结这种指数式上升正向特性的出现，主要是由于正向电压使势垒高度降低、导致载流子注入指数式增大所造成的。

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当pin结反偏时，i型层中的复合中心将产生出载流子。由上面最有效复合中心的最大复合率表示式，可以得到反偏时的最大产生率为（设载流子的产生寿命为τg）

Umax = (ni/2τg)

从而得到pin结的反向电流密度为

J反向产生 = q Umax W = (qniW/2τo)

可见，i型层中复合中心的产生电流与复合中心的产生寿命τg直接有关（即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——反向饱和电流。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 = JS [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。

（4）pin结的高频小信号特性：

影响二极管高频性能的势垒电容，基本上由较宽的i型层厚度来决定。因为i型层厚度与外加电压无关，所以pin结的势垒电容是一种类似平板电容的线性电容，电容量基本上保持恒定不变。

在高频下，即小信号频率f > 1/2??o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 = ?(W/A) = W/[qni(μn+μp)A] = W2/ [J正向复合 ?o(μn+μp)A]

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

图3 pin结的射频电阻

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?o和串联电阻Rs有关：

td = ?o ln(1+If/Ir)

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：

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和衰减器。图4

图4 串联射频开关电路

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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。

②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）。

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。

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，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：

S. M. Sze (施敏), Kwok K. Ng (伍国珏). “Physics of Semiconductor Devices”, 3nd ed.

New York: Wilay, 2006; 中译本: 半导体器件物理 (耿莉, 张瑞智译). 西安: 西安交 通大学出版社, 2008

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