PIN結(jié)與PN結(jié)的特性比較和總結(jié)（PIN二極管）

2017-04-18 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

PIN結(jié)是在開(kāi)發(fā)出PN結(jié)以后所發(fā)展出的一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu),即是在p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體之間,特意加上一層較厚的本征層(i型層)而構(gòu)成的一種特殊形式的PN結(jié)。

1952年和1956年,Hall和Prince分別率先把PIN結(jié)用作為低頻二極管和大功率整流二極管。1958年Uhlir開(kāi)始把PIN結(jié)用作為微波二極管。

PIN結(jié)的重要性及其應(yīng)用價(jià)值主要有兩個(gè)方面:一是PIN結(jié)二極管是一種重要的微波兩端器件,也是一種重要的高壓兩端器件;另一方面,可以說(shuō)PIN結(jié)是各種功率器件(包括大功率晶體管和晶閘管)工作的基礎(chǔ),也是分析各種功率器件物理性能的出發(fā)點(diǎn)。

引言PIN二極管屬于特種微波半導(dǎo)體器件,其具有開(kāi)關(guān)速度快,反向擊穿電壓高,可控功率大,損耗小,以及在正反向偏置下能得到近似短路和開(kāi)路等良好特性,廣泛應(yīng)用在射頻及微波電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域,目前已在軍用、民用等領(lǐng)域的電子裝備中成為不可或缺的關(guān)鍵器件之一

其核心特點(diǎn)是:

1、可通過(guò)直流電壓控制微波電路的開(kāi)和關(guān)

2、不但可控制開(kāi)和關(guān),而且可控制半開(kāi)半合——功率控制,(利用偏置直流電壓控制PIN節(jié)的阻抗-圖3)

形象的說(shuō)就相當(dāng)于一個(gè)自來(lái)水的水龍頭。

有一些誤導(dǎo)的理解:

1、微波頻率與PIN功能有關(guān)——實(shí)際上是沒(méi)本質(zhì)關(guān)系,pin對(duì)微波來(lái)說(shuō)只是一個(gè)阻抗元件——阻抗無(wú)限大就斷路,阻抗無(wú)限小則短路。如果有關(guān)系,那只有微波電流經(jīng)過(guò)后產(chǎn)生溫度變化,對(duì)PIN內(nèi)在性質(zhì)有影響。

2、軟件仿真pin全部功能,這是一種誤解,實(shí)際上大部分問(wèn)題沒(méi)有必要這樣做,你需要的是使用等效電路或等效阻抗的思想。具體請(qǐng)見(jiàn):HFSS如何仿真PIN二極管

PIN結(jié)與PN結(jié)的特性比較(PIN二極管)HFSS圖片1

圖:PIN結(jié)的結(jié)構(gòu)

PIN結(jié)與PN結(jié)的特性比較(PIN二極管)HFSS圖片2

圖2:原理

PIN結(jié)與PN結(jié)的特性比較(PIN二極管)HFSS分析案例圖片1

圖3:用直流電壓控制PIN的阻抗

PN結(jié)和PIN結(jié)是兩種最基本的器件結(jié)構(gòu),也是兩種重要的二極管。從結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理上來(lái)說(shuō),它們有許多共同點(diǎn),但是也存在不少的差異。

l 相同點(diǎn):

(1)都存在空間電荷區(qū)和勢(shì)壘區(qū),則都有勢(shì)壘電容;

(2)都具有單向?qū)щ娦院拖鄳?yīng)的整流作用,則都可用作為二極管;

(3)在高的反向電壓下,都有可能發(fā)生絕緣擊穿的現(xiàn)象,因此都存在有最高工作電壓的限制;

(4)都具有感光作用,可以作為光電二極管和光電池等光電子器件。

l 不同點(diǎn):

(1)空間電荷區(qū):

PN結(jié)的空間電荷區(qū)就是界面附近的區(qū)域,其中存在較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng),使得載流子往往被驅(qū)趕出去了,故一般可近似為耗盡層。

PIN結(jié)的空間電荷區(qū)是在i型層(本征層)兩邊的界面附近處,則有兩個(gè)空間電荷區(qū)(即p-i和n-i兩個(gè)界面的空間電荷區(qū)),一個(gè)空間電荷區(qū)包含有正電荷,另一個(gè)空間電荷區(qū)包含有負(fù)電荷,這些空間電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)——內(nèi)建電場(chǎng)的電力線就穿過(guò)i型層。

(2)勢(shì)壘區(qū):

PN結(jié)中阻擋載流子運(yùn)動(dòng)的區(qū)域,即存在內(nèi)建電場(chǎng)的區(qū)域就是勢(shì)壘區(qū);PN結(jié)的勢(shì)壘區(qū)也就是空間電荷區(qū),即空間電荷區(qū)與勢(shì)壘區(qū)是一致的。

但是PIN結(jié)中存在內(nèi)建電場(chǎng)的區(qū)域是整個(gè)i型層加上兩邊的空間電荷區(qū),因此勢(shì)壘區(qū)很寬(主要就是i型層的厚度),這時(shí)勢(shì)壘區(qū)與空間電荷區(qū)并不完全一致(勢(shì)壘厚度遠(yuǎn)大于空間電荷區(qū))。

(3)勢(shì)壘電容:

PN結(jié)的勢(shì)壘電容也就是空間電荷區(qū)的電容,而空間電荷區(qū)的厚度與外加電壓有關(guān),則勢(shì)壘電容是一種非線性電容;并且PN結(jié)的勢(shì)壘電容也與兩邊半導(dǎo)體的摻雜濃度和溫度有關(guān)(摻雜濃度越大,或者溫度越高,勢(shì)壘厚度就越小,則電容也就越大)。

但是PIN結(jié)的勢(shì)壘電容基本上就是i型層的電容,因此該勢(shì)壘電容是一種線性電容;并且PIN結(jié)的勢(shì)壘電容與兩邊半導(dǎo)體的摻雜濃度和溫度基本上沒(méi)有什么關(guān)系。由于i型層較厚,則PIN結(jié)的勢(shì)壘電容很小,因此可用作為微波二極管。

(4)導(dǎo)電機(jī)理:

PN結(jié)的電流主要是注入到勢(shì)壘區(qū)兩邊擴(kuò)散區(qū)中少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流,這就意味著:通過(guò)PN結(jié)的電流是少數(shù)載流子擴(kuò)散電流,并且少數(shù)載流子的擴(kuò)散是在勢(shì)壘區(qū)以外的擴(kuò)散區(qū)中進(jìn)行的。而勢(shì)壘區(qū)的影響只是其中復(fù)合中心提供少量的復(fù)合-產(chǎn)生電流(只在低電壓時(shí)起重要作用)。

但是PIN結(jié)的電流主要是較寬的勢(shì)壘區(qū)(~i型層)中的復(fù)合電流。因此在通過(guò)的電流的性質(zhì)上,與一般PN結(jié)的大不相同。雖然它們的伏安特性基本上都是指數(shù)式上升的曲線關(guān)系,但是上升的速度卻有一定的差別,PIN結(jié)的正向伏安特性曲線上升得稍慢一點(diǎn),如圖1所示。

PIN結(jié)與PN結(jié)的特性比較 - 學(xué)習(xí) - 學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)、再學(xué)習(xí)

圖1 兩種結(jié)的伏安特性比較

(5)勢(shì)壘高度和正向壓降:

熱平衡時(shí)PN結(jié)和PIN結(jié)的勢(shì)壘高度(~內(nèi)建電勢(shì)Vo與電子電荷q的乘積),原則上都由兩邊半導(dǎo)體的Fermi能級(jí)所決定,因此基本上都是一樣的?？梢韵胍?jiàn),不管在n區(qū)和p區(qū)之間的半導(dǎo)體狀況怎樣(是否有本征半導(dǎo)體或者有高阻半導(dǎo)體),只要是電荷耗盡的勢(shì)壘區(qū),就構(gòu)成PN結(jié),它的勢(shì)壘高度就都基本上由兩邊的n型和p型半導(dǎo)體的摻雜來(lái)決定,如圖2(a)所示(PN結(jié)和PIN結(jié)的勢(shì)壘高度都是qV0)。

但是PN結(jié)和PIN結(jié)的導(dǎo)通電壓卻大不相同。對(duì)于通常的PN結(jié),因?yàn)槠渲械膭?shì)壘區(qū)是強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域,則PN結(jié)在導(dǎo)通時(shí),勢(shì)壘區(qū)上不會(huì)產(chǎn)生壓降,因此PN結(jié)的正向壓降VF就主要決定于勢(shì)壘高度(最大不可能超過(guò)內(nèi)建電勢(shì)V0)。對(duì)于PIN結(jié),它的導(dǎo)通壓降應(yīng)該包含有三個(gè)部分:i區(qū)上的壓降及其兩端勢(shì)壘的壓降。如果i區(qū)的長(zhǎng)度小于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度(L=√(Dτ)),則從兩端注入的載流子就能夠分布到整個(gè)i區(qū),并且屬于大注入情況,從而會(huì)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),使得絕緣性的i區(qū)能很好導(dǎo)電,同時(shí)i區(qū)中還存在著電場(chǎng),于是造成i區(qū)的壓降幾乎為0,所以這種PIN結(jié)的正向壓降就主要是i區(qū)兩端勢(shì)壘上的壓降;而該兩端勢(shì)壘的高度較低,所以不需要多大的正向電壓就能夠注入載流子,則兩端勢(shì)壘的正向壓降也都較低?？傊?短i區(qū)的PIN結(jié)的正向壓降要顯著地小于普通PN結(jié)的正向壓降。如圖2(b)所示。對(duì)于許多功率半導(dǎo)體器件,由于它在導(dǎo)通工作時(shí)都可近似地等效為一個(gè)正偏的PIN結(jié),因此作為耐壓層或者漂移區(qū)的i層的厚度就應(yīng)該與載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度相當(dāng)(所以要選取適當(dāng)長(zhǎng)一些的載流子壽命),這樣才能產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)而降低漂移區(qū)的電阻,以降低整個(gè)器件的導(dǎo)通電阻。

然而,對(duì)于較長(zhǎng)i區(qū)的PIN結(jié),其正向壓降將會(huì)大大增加,因?yàn)檫@時(shí)注入到i區(qū)的載流子不能擴(kuò)散到中部區(qū)域,則i區(qū)就不能產(chǎn)生很好的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),所以i區(qū)的電阻較大,從而導(dǎo)致i區(qū)的壓降顯著增大。