??快恢復(fù)二極管的P-I-N結(jié)構(gòu)詳解
作者：海飛樂技術(shù) 時(shí)間：2016-12-13 17:05
想要理解快恢復(fù)二極管的PIN結(jié)，那么我們就要先來了解下普通二極管的PN結(jié)。
PN結(jié)構(gòu)
當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓(正向偏置)，即外加電壓的正端接p區(qū)、負(fù)端接N區(qū)時(shí)，外加電場(chǎng)與PN結(jié)自建電場(chǎng)方向相反，使得多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成擴(kuò)散電流，在內(nèi)部造成空間電荷區(qū)變窄，而在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱之為正向電流IF。當(dāng)外加電壓升高時(shí)，自建電場(chǎng)將進(jìn)一步被削弱，擴(kuò)散電流進(jìn)一步增加。這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較小時(shí)，二極管的電阻主要是作為基片的低摻雜N區(qū)的歐姆電阻，其阻值較高且為常量，因而管壓降隨正向電流的上升而增加，當(dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較大時(shí)，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導(dǎo)體電中性條件，其多子濃度生相應(yīng)大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，也就是電導(dǎo)率大大增加，這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。
當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)(反向偏置)，外加電場(chǎng)與PN結(jié)自建電場(chǎng)方向相同，使得少子的漂移運(yùn)動(dòng)大于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。形成漂移電流，在內(nèi)部造成空間電荷區(qū)變寬，而在外電路上則形成自N區(qū)流入而從P區(qū)流出的電流，稱之為反向電流IR。但是少子的濃度很小，在溫度一定時(shí)漂移電流的數(shù)值趨于情定，被稱為反向飽和電流Is，一般僅為微安數(shù)量級(jí)，因此反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。
這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@個(gè)主要特征。
PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。反向擊穿按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。反向擊穿發(fā)生時(shí)，只要外電路中采取了措施，將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，到當(dāng)反向電壓降低后PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。但如果反向電流未被限制住，使得反向電流和反向電壓的乘積超過了PN結(jié)容許的耗散功率，就會(huì)因熱量散發(fā)不出去而導(dǎo)致PN結(jié)溫度上升，直至過熱而燒毀，這就是熱擊穿。
PN結(jié)中的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)、稱為結(jié)電容CJ.-被稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比，而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率、特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。
快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于PIN結(jié)，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高。
因?yàn)镻D的主要有源區(qū)是勢(shì)壘區(qū)，所以展寬勢(shì)壘區(qū)即可提高靈敏度。p-i-n結(jié)快恢復(fù)二極管實(shí)際上也就是人為地把p-n結(jié)的勢(shì)壘區(qū)寬度加以擴(kuò)展，即采用較寬的本征半導(dǎo)體（i）層來取代勢(shì)壘區(qū)，而成為了p-i-n結(jié)。
p-i-n結(jié)快恢復(fù)二極管的有效作用區(qū)主要就是存在有電場(chǎng)的i型層（勢(shì)壘區(qū)），則產(chǎn)生光生載流子的有效區(qū)域增大了，擴(kuò)散的影響減弱了，并且結(jié)電容也大大減小了，所以其光檢測(cè)的靈敏度和響應(yīng)速度都得到了很大的提高。
（2）基本設(shè)計(jì)考慮
p-i-n結(jié)快恢復(fù)二極管中i型層的厚度d是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參量，從提高響應(yīng)速度和靈敏度來看，要求d應(yīng)該大一些；但是若d過大，則載流子在i層中漂移（速度為vd）的時(shí)間（d / vd）將增長(zhǎng)，這反而不利，因此可根據(jù)d / vd = 調(diào)制信號(hào)周期T的一半來選取，即有d = vd T / 2。另外，為了減小表面半導(dǎo)體層對(duì)光的吸收作用，應(yīng)該采用禁帶寬度較大的窗口材料。
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