PIN型光电二极管

　　正因为有本征(Intrinsic)层的存在，PIN 二极管应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在RF领域，用作RF 开关和RF保护电路，也有用作光电二极管(PhotoDiode)。PIN 二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。

　　PIN型光电二极管的结构

　　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-pin133结二极管，其中i型层的载流子浓度很低（约为10cm数量级）电阻率很高、（约为k-cm数量级），厚度W一般较厚（在10～200m之间）；i型层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高（即为重掺杂）。

　　图1 PIN二极管的两种基本结构

　　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。

　　PIN结的导电特性

　　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 1 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。在 i 型层中，由于 这种注入，即使得 np>ni2，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 np<ni2，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）。

　　PIN型光电二极管的主要参数

　　1. 开关时间：由于电荷的存储效应，PIN管的通断和断通都需要一个过程，这个过程所需时间2. 隔离度：开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度3. 插入损耗：开关在导通时衰减不为零，称为插入损耗4. 承受功率：在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最大输入功率5. 电压驻波系数：仅反映端口输入，输出匹配情况6. 视频泄漏7. 谐波：PIN二极管也具有非线性，因而会产生谐波，PIN开关在宽带应用场合，谐波可能落在使用频带内引起干扰8. 开关分类：反射式和吸收式， 吸收式开关的性能较反射式开关优良9. 控制方式：采用TTL信号控制。’1′通’0′断PIN型光电二极管的典型应用①射频信号的转换（开关）：因为 pin 结二极管的射频电阻与直流偏置电流 有关，所以它可以用作为射频开关和衰减器。串联射频开关电路：当二极管正偏时，即接通（短路） ；当二极管 0 偏或者反偏 时，即可把 pin 结看作为一个电容器或者开路。

　　②射频信号的衰减器和调制器：pin 结二极管的射频电阻随直流偏置电流而连续变化，因此能够通过改变直 流偏置电流来实现衰减和调制射频信号。 实际上， 射频信号的转换也就是衰减和调制的一种 特殊情况。调制频率要受到反向恢复时间的限制；为了提高 pin 结二极管的调制频率，就应 。 该减短 i 型层中的载流子寿命和减小串联电阻 Rs（以增大关断时的反向电流）③射频相移器的选择开关：射频信号的相移器可以采用不同长度的传输线来实现， pin 结二极管能够作为选择这 而 些传输线的开关使用。

　　④射频限幅器：pin结二极管在射频时就好像一个纯电阻——射频电阻，但是这只有在射频信号处于临 界电平之下时才成立；如果在临界电平之上时，则射频电阻降低，pin 结二极管即类似于直 流电阻的性能。这种特性就使得 pin 结二极管可以用来保护雷达接收机（二极管采用并联连 接） ，以避免过大的发射功率。

　　⑤大功率整流器：由于 i 型层较厚，则 pin 结二极管的击穿电压很高，从而它能够承受很高的工作电压； 同时二极管在工作时，i 型层中存在大量的两种类型的载流子，将会产生电导调变效应，从 而正向压降很低。所以 pin 结二极管是一种很好的大功率整流器。

　　⑥光电探测器：在 pin 结中，因为有内建电场的区域（i 型层）较宽，则使得入射光几乎能完全被 i 型 层所吸收、和转变为光生载流子，因而 pin 结二极管作为光电探测器使用时，可以获得较大 的探测灵敏度。 基于同样的理由， 结二极管也可以作为较高灵敏度的核辐射探测器使用， pin 实际上这也就是最通用的一种探测器。

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