Quais são os princípios e aplicações dos diodos PIN? (Parte 1 )

Um PIN fotodiodoé um dispositivo semicondutor que consiste em uma junção PIN que converte um sinal óptico em um sinal elétrico que muda à medida que a luz muda. Destina-se à deficiência de PD geral, a estrutura é melhorada e a sensibilidade é maior do que a do fotodiodo de junção PN geral e possui as características de condução de direção única.

1. Princípio e estrutura do diodo PIN

O diodo geral é composto de material semicondutor dopado com impureza tipo N e material semicondutor dopado com impureza tipo P diretamente para formar uma junção PN. O diodo PIN deve adicionar uma fina camada de semicondutor intrínseco de baixa dopagem entre o material semicondutor tipo P e o material semicondutor tipo N.

O diagrama da estrutura do diodo PIN é mostrado na Figura 1 porque o semicondutor intrínseco é semelhante ao meio, isso equivale a aumentar a distância entre os dois eletrodos do capacitor de junção PN, para que o capacitor de junção fique pequeno. Em segundo lugar, a largura da camada de depleção no semicondutor tipo P e no semicondutor tipo N é ampliada com o aumento da tensão reversa, e a capacitância da junção também é pequena com o aumento da polarização reversa. Devido à existência da camada I, e a região P geralmente é muito fina, o fóton incidente só pode ser absorvido na camada I, e a polarização reversa é concentrada principalmente na região I, formando uma região de alto campo elétrico, e o portador fotogerado na região I acelera sob a ação do forte campo elétrico, de modo que a constante de tempo de trânsito da portadora diminui, melhorando assim a resposta de frequência do fotodiodo. Ao mesmo tempo, a introdução da camada I aumenta a região de depleção e amplia a área efetiva de trabalho da conversão fotoelétrica, melhorando assim a sensibilidade.

Existem duas estruturas básicas do diodo PIN, ou seja, a estrutura do plano e a estrutura da mesa, conforme mostrado na Figura 2. Para os diodos de junção Si-pin133, a concentração de portadores da camada I é muito baixa (cerca de 10 cm da ordem de magnitude), a resistividade é muito alta (cerca de ordem k-cm de magnitude), e a espessura W é geralmente espessa (entre 10 e 200m); A concentração de dopagem dos semicondutores tipo P e tipo N em ambos os lados da camada I é geralmente muito alta.

As camadas I de estruturas planas e mesa podem ser fabricadas por tecnologia de epitaxia, e as camadas p plus altamente dopadas podem ser obtidas por difusão térmica ou tecnologia de implantação de íons. Diodos planares podem ser facilmente fabricados por processos planares convencionais. O diodo de estrutura mesa também precisa ser fabricado (por corrosão ou ranhura). As vantagens da estrutura da mesa são:

① A parte flexível da junção plana é removida e a tensão de ruptura da superfície é melhorada;

②A capacitância e a indutância de borda são reduzidas, o que é propício para melhorar a frequência operacional.

2. Estado de trabalho do diodo PIN sob polarização diferente

①Desvio descendente positivo

Quando o diodo PIN é aplicado com uma tensão direta, muitos moles na região P e na região N serão injetados na região I e recombinados na região I. Quando o portador de injeção e o portador composto são iguais, a corrente I atinge o equilíbrio. A camada intrínseca tem uma baixa resistência devido ao acúmulo de um grande número de portadores, portanto, quando o diodo PIN é polarizado diretamente, ele tem uma característica de baixa resistência. Quanto maior a polarização direta, maior a corrente injetada na camada I, e mais portadores na camada I, tornando sua resistência menor. A Figura 3 é o diagrama de circuito equivalente sob polarização positiva, e pode ser visto que é equivalente a uma pequena resistência com um valor de resistência entre 0.1Ω e 10Ω.

② Desvio zero

Quando nenhuma tensão é aplicada em ambas as extremidades do diodo PIN, porque a camada I real contém uma pequena quantidade de impurezas do tipo P, na interface IN, os buracos na região I se difundem para a região N e os elétrons na região A região N se difunde para a região I e então forma uma região de carga espacial. Como a concentração de impurezas na Zona I é muito baixa em comparação com a Zona N, a maior parte da zona de depleção está quase na Zona I. Na interface PI, devido à diferença de concentração (a concentração de buracos na região P é muito maior do que que na região I), o movimento de difusão também ocorrerá, mas seu efeito é muito menor do que na interface IN e pode ser ignorado. Portanto, em polarização zero, o diodo PIN apresenta um estado de alta resistência devido à existência de uma região de depleção na região I.

③ Viés descendente reverso

A polarização reversa é muito semelhante à polarização zero, exceto que o campo elétrico embutido é fortalecido e o efeito é ampliar a região de carga espacial da junção IN, principalmente em direção à região I. Neste momento, o diodo PIN pode ser equivalente à resistência mais capacitância, a resistência é a resistência intrínseca restante da região e a capacitância é a capacitância de barreira da região de depleção. A Figura 4 é o diagrama de circuito equivalente do diodo PIN sob polarização reversa, e pode ser visto que a faixa de resistência está entre 1Ω e 100Ω, e a faixa de capacitância está entre 0,1pF e 10 PF. Quando a polarização reversa é muito grande, de modo que a zona de depleção preencha toda a zona I, a penetração da zona I ocorrerá e o tubo PIN não funcionará normalmente.

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