PIN結與PN結的特性比較和總結（PIN二極管）

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

PIN結是在開發(fā)出PN結以后所發(fā)展出的一種改進型結構,即是在p型半導體與n型半導體之間,特意加上一層較厚的本征層(i型層)而構成的一種特殊形式的PN結。

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

PIN結的重要性及其應用價值主要有兩個方面:一是PIN結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PIN結是各種功率器件(包括大功率晶體管和晶閘管)工作的基礎,也是分析各種功率器件物理性能的出發(fā)點。

引言PIN二極管屬于特種微波半導體器件,其具有開關速度快,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路等良好特性,廣泛應用在射頻及微波電路設計領域,目前已在軍用、民用等領域的電子裝備中成為不可或缺的關鍵器件之一

其核心特點是:

1、可通過直流電壓控制微波電路的開和關

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

形象的說就相當于一個自來水的水龍頭。

有一些誤導的理解:

1、微波頻率與PIN功能有關——實際上是沒本質關系,pin對微波來說只是一個阻抗元件——阻抗無限大就斷路,阻抗無限小則短路。如果有關系,那只有微波電流經過后產生溫度變化,對PIN內在性質有影響。

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

PIN結與PN結的特性比較(PIN二極管)HFSS圖片1

圖:PIN結的結構

PIN結與PN結的特性比較(PIN二極管)HFSS圖片2

圖2:原理

PIN結與PN結的特性比較(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結和PIN結是兩種最基本的器件結構,也是兩種重要的二極管。從結構和導電機理上來說,它們有許多共同點,但是也存在不少的差異。

l 相同點:

(1)都存在空間電荷區(qū)和勢壘區(qū),則都有勢壘電容;

(2)都具有單向導電性和相應的整流作用,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:

(1)空間電荷區(qū):

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

PIN結的空間電荷區(qū)是在i型層(本征層)兩邊的界面附近處,則有兩個空間電荷區(qū)(即p-i和n-i兩個界面的空間電荷區(qū)),一個空間電荷區(qū)包含有正電荷,另一個空間電荷區(qū)包含有負電荷,這些空間電荷所產生的電場——內建電場的電力線就穿過i型層。

(2)勢壘區(qū):

PN結中阻擋載流子運動的區(qū)域,即存在內建電場的區(qū)域就是勢壘區(qū);PN結的勢壘區(qū)也就是空間電荷區(qū),即空間電荷區(qū)與勢壘區(qū)是一致的。

但是PIN結中存在內建電場的區(qū)域是整個i型層加上兩邊的空間電荷區(qū),因此勢壘區(qū)很寬(主要就是i型層的厚度),這時勢壘區(qū)與空間電荷區(qū)并不完全一致(勢壘厚度遠大于空間電荷區(qū))。

(3)勢壘電容:

PN結的勢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,則勢壘電容是一種非線性電容;并且PN結的勢壘電容也與兩邊半導體的摻雜濃度和溫度有關(摻雜濃度越大,或者溫度越高,勢壘厚度就越小,則電容也就越大)。

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

(4)導電機理:

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

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

圖1 兩種結的伏安特性比較

(5)勢壘高度和正向壓降:

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

熱平衡時PN結和PIN結的勢壘高度(~內建電勢Vo與電子電荷q的乘積),原則上都由兩邊半導體的Fermi能級所決定,因此基本上都是一樣的。可以想見,不管在n區(qū)和p區(qū)之間的半導體狀況怎樣(是否有本征半導體或者有高阻半導體),

但是PN結和PIN結的導通電壓卻大不相同。對于通常的PN結,因為其中的勢壘區(qū)是強電場區(qū)域,則PN結在導通時,勢壘區(qū)上不會產生壓降,因此PN結的正向壓降VF就主要決定于勢壘高度(最大不可能超過內建電勢V0)。對于PIN結,它的導通壓降應該包含有三個部分:i區(qū)上的壓降及其兩端勢壘的壓降。如果i區(qū)的長度小于載流子的擴散長度(L=√(Dτ)),則從兩端注入的載流子就能夠分布到整個i區(qū),并且屬于大注入情況,從而會產生電導調制效應,使得絕緣性的i區(qū)能很好導電,同時i區(qū)中還存在著電場,于是造成i區(qū)的壓降幾乎為0,所以這種PIN結的正向壓降就主要是i區(qū)兩端勢壘上的壓降;而該兩端勢壘的高度較低,所以不需要多大的正向電壓就能夠注入載流子,則兩端勢壘的正向壓降也都較低?？傊?短i區(qū)的PIN結的正向壓降要顯著地小于普通PN結的正向壓降。如圖2(b)所示。對于許多功率半導體器件,由于它在導通工作時都可近似地等效為一個正偏的PIN結,因此作為耐壓層或者漂移區(qū)的i層的厚度就應該與載流子的擴散長度相當(所以要選取適當長一些的載流子壽命),這樣才能產生電導調制效應而降低漂移區(qū)的電阻,以降低整個器件的導通電阻。

然而,對于較長i區(qū)的PIN結,其正向壓降將會大大增加,因為這時注入到i區(qū)的載流子不能擴散到中部區(qū)域,則i區(qū)就不能產生很好的電導調制效應,所以i區(qū)的電阻較大,從而導致i區(qū)的壓降顯著增大。