PIN结与PN结的特性比较和总结（PIN二极管）

2017-04-18 by:CAE仿真在线来源:互联网

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。

引言PIN二极管属于特种微波半导体器件,其具有开关速度快,反向击穿电压高,可控功率大,损耗小,以及在正反向偏置下能得到近似短路和开路等良好特性,广泛应用在射频及微波电路设计领域,目前已在军用、民用等领域的电子装备中成为不可或缺的关键器件之一

其核心特点是:

1、可通过直流电压控制微波电路的开和关

2、不但可控制开和关,而且可控制半开半合——功率控制,(利用偏置直流电压控制PIN节的阻抗-图3)

形象的说就相当于一个自来水的水龙头。

有一些误导的理解:

1、微波频率与PIN功能有关——实际上是没本质关系,pin对微波来说只是一个阻抗元件——阻抗无限大就断路,阻抗无限小则短路。如果有关系,那只有微波电流经过后产生温度变化,对PIN内在性质有影响。

2、软件仿真pin全部功能,这是一种误解,实际上大部分问题没有必要这样做,你需要的是使用等效电路或等效阻抗的思想。具体请见:HFSS如何仿真PIN二极管

PIN结与PN结的特性比较(PIN二极管)HFSS图片1

图:PIN结的结构

PIN结与PN结的特性比较(PIN二极管)HFSS图片2

图2:原理

PIN结与PN结的特性比较(PIN二极管)HFSS分析案例图片1

图3:用直流电压控制PIN的阻抗

PN结和PIN结是两种最基本的器件结构,也是两种重要的二极管。从结构和导电机理上来说,它们有许多共同点,但是也存在不少的差异。

l 相同点:

(1)都存在空间电荷区和势垒区,则都有势垒电容;

(2)都具有单向导电性和相应的整流作用,则都可用作为二极管;

(3)在高的反向电压下,都有可能发生绝缘击穿的现象,因此都存在有最高工作电压的限制;

(4)都具有感光作用,可以作为光电二极管和光电池等光电子器件。

l 不同点:

(1)空间电荷区:

PN结的空间电荷区就是界面附近的区域,其中存在较强的内建电场,使得载流子往往被驱赶出去了,故一般可近似为耗尽层。

PIN结的空间电荷区是在i型层(本征层)两边的界面附近处,则有两个空间电荷区(即p-i和n-i两个界面的空间电荷区),一个空间电荷区包含有正电荷,另一个空间电荷区包含有负电荷,这些空间电荷所产生的电场——内建电场的电力线就穿过i型层。

(2)势垒区:

PN结中阻挡载流子运动的区域,即存在内建电场的区域就是势垒区;PN结的势垒区也就是空间电荷区,即空间电荷区与势垒区是一致的。

但是PIN结中存在内建电场的区域是整个i型层加上两边的空间电荷区,因此势垒区很宽(主要就是i型层的厚度),这时势垒区与空间电荷区并不完全一致(势垒厚度远大于空间电荷区)。

(3)势垒电容:

PN结的势垒电容也就是空间电荷区的电容,而空间电荷区的厚度与外加电压有关,则势垒电容是一种非线性电容;并且PN结的势垒电容也与两边半导体的掺杂浓度和温度有关(掺杂浓度越大,或者温度越高,势垒厚度就越小,则电容也就越大)。

但是PIN结的势垒电容基本上就是i型层的电容,因此该势垒电容是一种线性电容;并且PIN结的势垒电容与两边半导体的掺杂浓度和温度基本上没有什么关系。由于i型层较厚,则PIN结的势垒电容很小,因此可用作为微波二极管。

(4)导电机理:

PN结的电流主要是注入到势垒区两边扩散区中少数载流子的扩散电流,这就意味着:通过PN结的电流是少数载流子扩散电流,并且少数载流子的扩散是在势垒区以外的扩散区中进行的。而势垒区的影响只是其中复合中心提供少量的复合-产生电流(只在低电压时起重要作用)。

但是PIN结的电流主要是较宽的势垒区(~i型层)中的复合电流。因此在通过的电流的性质上,与一般PN结的大不相同。虽然它们的伏安特性基本上都是指数式上升的曲线关系,但是上升的速度却有一定的差别,PIN结的正向伏安特性曲线上升得稍慢一点,如图1所示。

图1 两种结的伏安特性比较

(5)势垒高度和正向压降:

热平衡时PN结和PIN结的势垒高度(~内建电势Vo与电子电荷q的乘积),原则上都由两边半导体的Fermi能级所决定,因此基本上都是一样的。可以想见,不管在n区和p区之间的半导体状况怎样(是否有本征半导体或者有高阻半导体),只要是电荷耗尽的势垒区,就构成PN结,它的势垒高度就都基本上由两边的n型和p型半导体的掺杂来决定,如图2(a)所示(PN结和PIN结的势垒高度都是qV0)。

热平衡时PN结和PIN结的势垒高度(~内建电势Vo与电子电荷q的乘积),原则上都由两边半导体的Fermi能级所决定,因此基本上都是一样的。可以想见,不管在n区和p区之间的半导体状况怎样(是否有本征半导体或者有高阻半导体),

但是PN结和PIN结的导通电压却大不相同。对于通常的PN结,因为其中的势垒区是强电场区域,则PN结在导通时,势垒区上不会产生压降,因此PN结的正向压降VF就主要决定于势垒高度(最大不可能超过内建电势V0)。对于PIN结,它的导通压降应该包含有三个部分:i区上的压降及其两端势垒的压降。如果i区的长度小于载流子的扩散长度(L=√(Dτ)),则从两端注入的载流子就能够分布到整个i区,并且属于大注入情况,从而会产生电导调制效应,使得绝缘性的i区能很好导电,同时i区中还存在着电场,于是造成i区的压降几乎为0,所以这种PIN结的正向压降就主要是i区两端势垒上的压降;而该两端势垒的高度较低,所以不需要多大的正向电压就能够注入载流子,则两端势垒的正向压降也都较低。总之,短i区的PIN结的正向压降要显著地小于普通PN结的正向压降。如图2(b)所示。对于许多功率半导体器件,由于它在导通工作时都可近似地等效为一个正偏的PIN结,因此作为耐压层或者漂移区的i层的厚度就应该与载流子的扩散长度相当(所以要选取适当长一些的载流子寿命),这样才能产生电导调制效应而降低漂移区的电阻,以降低整个器件的导通电阻。

然而,对于较长i区的PIN结,其正向压降将会大大增加,因为这时注入到i区的载流子不能扩散到中部区域,则i区就不能产生很好的电导调制效应,所以i区的电阻较大,从而导致i区的压降显著增大。