Quali sono i principi e le applicazioni dei diodi PIN? (Parte 1 )

Un fotodiodo PINè un dispositivo a semiconduttore costituito da una giunzione PIN che converte un segnale ottico in un segnale elettrico che cambia al variare della luce. Mira alla carenza di PD generale, la struttura è migliorata e la sensibilità è superiore a quella del fotodiodo a giunzione PN generale e ha le caratteristiche della conduzione unidirezionale.

1. Principio e struttura del diodo PIN

Il diodo generale è composto da materiale semiconduttore drogato con impurità di tipo N e materiale semiconduttore drogato con impurità di tipo P direttamente per formare una giunzione PN. Il diodo PIN serve ad aggiungere uno strato sottile di semiconduttore intrinseco a basso drogaggio tra il materiale semiconduttore di tipo P e il materiale semiconduttore di tipo N.

Lo schema della struttura del diodo PIN è mostrato in Figura 1 perché il semiconduttore intrinseco è simile al mezzo, ciò equivale ad aumentare la distanza tra i due elettrodi del condensatore di giunzione PN, in modo che il condensatore di giunzione diventi piccolo. In secondo luogo, la larghezza dello strato di esaurimento nel semiconduttore di tipo P e nel semiconduttore di tipo N viene ampliata con l'aumento della tensione inversa e anche la capacità di giunzione è ridotta con l'aumento della polarizzazione inversa. A causa dell'esistenza dello strato I e della regione P generalmente molto sottile, il fotone incidente può essere assorbito solo nello strato I e la polarizzazione inversa è principalmente concentrata nella regione I, formando una regione ad alto campo elettrico e il vettore fotogenerato nella regione I accelera sotto l'azione del forte campo elettrico, quindi la costante del tempo di transito della portante diminuisce, migliorando così la risposta in frequenza del fotodiodo. Allo stesso tempo, l'introduzione dello strato I allarga la regione di svuotamento e amplia l'area di lavoro effettiva della conversione fotoelettrica, migliorando così la sensibilità.

Esistono due strutture di base del diodo PIN, ovvero la struttura del piano e la struttura della mesa, come mostrato nella Figura 2. Per i diodi a giunzione Si-pin133, la concentrazione portante dello strato I è molto bassa (circa 10 cm di ordine di grandezza), la resistività è molto elevata (circa k-cm ordine di grandezza), e lo spessore W è generalmente spesso (tra 10 e 200 m); La concentrazione di drogaggio dei semiconduttori di tipo P e di tipo N su entrambi i lati dello strato I è solitamente molto elevata.

Gli strati I di entrambe le strutture planari e mesa possono essere fabbricati mediante tecnologia epitassica e gli strati p plus altamente drogati possono essere ottenuti mediante diffusione termica o tecnologia di impiantazione ionica. I diodi planari possono essere facilmente fabbricati mediante processi planari convenzionali. Anche il diodo a struttura mesa deve essere fabbricato (mediante incisione o scanalatura). I vantaggi della struttura a mesa sono:

① La parte di flessione della giunzione piana viene rimossa e la tensione di rottura superficiale viene migliorata;

②La capacità e l'induttanza del bordo sono ridotte, il che favorisce il miglioramento della frequenza operativa.

2. Stato di funzionamento del diodo PIN con polarizzazione diversa

① Deriva verso il basso positiva

Quando il diodo PIN viene applicato con una tensione diretta, molte moli nella regione P e nella regione N verranno iniettate nella regione I e ricombinate nella regione I. Quando il vettore di iniezione e il vettore composto sono uguali, la corrente I raggiunge l'equilibrio. Lo strato intrinseco ha una bassa resistenza a causa dell'accumulo di un gran numero di portanti, quindi quando il diodo PIN è polarizzato in avanti, ha una caratteristica di bassa resistenza. Maggiore è la polarizzazione diretta, maggiore è la corrente iniettata nello strato I e più portatori nello strato I, riducendo la sua resistenza. La Figura 3 è lo schema del circuito equivalente con polarizzazione positiva e si può vedere che è equivalente a una piccola resistenza con un valore di resistenza compreso tra 0.1Ω e 10Ω.

② Deviazione zero

Quando non viene applicata alcuna tensione a entrambe le estremità del diodo PIN, poiché lo strato I effettivo contiene una piccola quantità di impurità di tipo P, all'interfaccia IN, i fori nella regione I si diffondono nella regione N e gli elettroni nella regione La regione N si diffonde nella regione I e quindi forma una regione di carica spaziale. Poiché la concentrazione di impurità nella Zona I è molto bassa rispetto a quella nella Zona N, la maggior parte della zona di esaurimento si trova quasi nella Zona I. All'interfaccia PI, a causa della differenza di concentrazione (la concentrazione di lacune NELLA regione P è molto maggiore di che nella regione I), si verificherà anche un movimento di diffusione, ma il suo effetto è molto più piccolo di quello dell'interfaccia IN e può essere ignorato. Pertanto, a polarizzazione zero, il diodo PIN presenta uno stato di resistenza elevata a causa dell'esistenza di una regione di svuotamento nella regione I.

③ Bias inverso verso il basso

La polarizzazione inversa è molto simile alla polarizzazione zero, tranne per il fatto che il campo elettrico incorporato è rafforzato e l'effetto è quello di ampliare la regione di carica spaziale della giunzione IN, principalmente verso la regione I. A questo punto, il diodo PIN può essere equivalente alla resistenza più capacità, la resistenza è la residua resistenza della regione intrinseca e la capacità è la capacità di barriera della regione di svuotamento. La Figura 4 è lo schema del circuito equivalente del diodo PIN in polarizzazione inversa e si può vedere che l'intervallo di resistenza è compreso tra 1Ω e 100Ω e l'intervallo di capacità è compreso tra 0,1pF e 10 PF. Quando la polarizzazione inversa è troppo grande, in modo che la zona di esaurimento riempia l'intera zona I, si verificherà la penetrazione della zona I e il tubo PIN non funzionerà normalmente.

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