¿Cuáles son los principios y aplicaciones de los diodos PIN? (Parte 1 )

Un fotodiodo PINes un dispositivo semiconductor que consta de una unión PIN que convierte una señal óptica en una señal eléctrica que cambia a medida que cambia la luz. Está dirigido a la deficiencia de PD general, se mejora la estructura y la sensibilidad es más alta que la del fotodiodo de unión PN general, y tiene las características de conducción unidireccional.

1. Principio y estructura del diodo PIN

El diodo general está compuesto de material semiconductor dopado con impurezas tipo N y material semiconductor dopado con impurezas tipo P directamente para formar una unión PN. El diodo PIN es para agregar una capa delgada de semiconductor intrínseco de bajo dopaje entre el material semiconductor de tipo P y el material semiconductor de tipo N.

El diagrama de estructura del diodo PIN se muestra en la Figura 1 debido a que el semiconductor intrínseco es similar al medio, esto equivale a aumentar la distancia entre los dos electrodos del capacitor de unión PN, de modo que el capacitor de unión se vuelve pequeño. En segundo lugar, el ancho de la capa de agotamiento en el semiconductor tipo P y el semiconductor tipo N se amplía con el aumento del voltaje inverso, y la capacitancia de la unión también es pequeña con el aumento de la polarización inversa. Debido a la existencia de la capa I, y la región P es generalmente muy delgada, el fotón incidente solo puede absorberse en la capa I, y la polarización inversa se concentra principalmente en la región I, formando una región de alto campo eléctrico, y el portador fotogenerado en la región I se acelera bajo la acción del fuerte campo eléctrico, por lo que la constante de tiempo de tránsito de la portadora disminuye, mejorando así la respuesta de frecuencia del fotodiodo. Al mismo tiempo, la introducción de la capa I aumenta la región de agotamiento y amplía el área de trabajo efectiva de la conversión fotoeléctrica, mejorando así la sensibilidad.

Hay dos estructuras básicas del diodo PIN, a saber, la estructura del plano y la estructura de la mesa, como se muestra en la Figura 2. Para los diodos de unión Si-pin133, la concentración de portadores de la capa I es muy baja (alrededor de 10 cm). de magnitud), la resistividad es muy alta (del orden de k-cm de magnitud), y el espesor W es generalmente grueso (entre 10 y 200 m); La concentración de dopaje de los semiconductores tipo P y tipo N a cada lado de la capa I suele ser muy alta.

Las capas I de las estructuras planar y mesa se pueden fabricar mediante tecnología de epitaxia, y las capas p plus altamente dopadas se pueden obtener mediante tecnología de difusión térmica o implantación de iones. Los diodos planos se pueden fabricar fácilmente mediante procesos planos convencionales. El diodo de estructura de mesa también debe fabricarse (grabando o ranurando). Las ventajas de la estructura de mesa son:

① Se elimina la parte de flexión de la unión plana y se mejora el voltaje de ruptura de la superficie;

②La capacitancia y la inductancia del borde se reducen, lo que conduce a mejorar la frecuencia de funcionamiento.

2. Estado de funcionamiento del diodo PIN bajo diferentes sesgos

①Deriva positiva a la baja

Cuando el diodo PIN se aplica con un voltaje directo, muchos moles en la región P y la región N se inyectarán en la región I y se recombinarán en la región I. Cuando el portador de inyección y el portador compuesto son iguales, la corriente I alcanza el equilibrio. La capa intrínseca tiene una baja resistencia debido a la acumulación de una gran cantidad de portadores, por lo que cuando el diodo PIN tiene polarización directa, tiene una característica de baja resistencia. Cuanto mayor sea la polarización directa, mayor será la corriente inyectada en la capa I y más portadores en la capa I, lo que hace que su resistencia sea menor. La Figura 3 es el diagrama del circuito equivalente con polarización positiva, y se puede ver que es equivalente a una pequeña resistencia con un valor de resistencia entre 0.1Ω y 10Ω.

② Desviación cero

Cuando no se aplica voltaje en ambos extremos del diodo PIN, debido a que la capa I real contiene una pequeña cantidad de impurezas de tipo P, en la interfaz IN, los agujeros en la región I se difunden a la región N y los electrones en el La región N se difunde a la región I y luego forma una región de carga espacial. Debido a que la concentración de impurezas en la Zona I es muy baja en comparación con la de la Zona N, la mayor parte de la zona de agotamiento está casi en la Zona I. En la interfaz PI, debido a la diferencia de concentración (la concentración de agujeros EN la región P es mucho mayor que que en la región I), también ocurrirá un movimiento de difusión, pero su efecto es mucho menor que el de la interfaz IN y puede ignorarse. Por lo tanto, con polarización cero, el diodo PIN presenta un estado de alta resistencia debido a la existencia de una región de empobrecimiento en la región I.

③ Sesgo hacia abajo inverso

La polarización inversa es muy similar a la polarización cero, excepto que el campo eléctrico incorporado se fortalece y el efecto es ampliar la región de carga espacial de la unión IN, principalmente hacia la región I. En este momento, el diodo PIN puede ser equivalente a la resistencia más la capacitancia, la resistencia es la resistencia restante de la región intrínseca y la capacitancia es la capacitancia de barrera de la región de agotamiento. La Figura 4 es el diagrama de circuito equivalente del diodo PIN con polarización inversa, y se puede ver que el rango de resistencia está entre 1Ω y 100Ω, y el rango de capacitancia está entre 0.1pF y 10 PF. Cuando la polarización inversa es demasiado grande, de modo que la zona de agotamiento llena toda la zona I, se producirá una penetración en la zona I y el tubo PIN no funcionará normalmente.

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