pin结二极管的性能与应用.doc

PAGE PAGE 9 pin结二极管的性能与应用 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10～200 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 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npni2，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npni2，于是在i型层中将发生载流子的产生作用——产生出额外的电子和空穴（非平衡载流子）；然后这些产生出的非平衡载流子被电场扫向两边的p区和n区，并从而形成通过pin结的反向电流。可见，pin结的反向电流从性质上来说，它也是在i型层中形成的电流——产生电流；i型层中产生载流子的作用越强，反向电流就越大。 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 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/2