Quels sont les principes et les applications des diodes PIN ? (Partie 1 )

Une photodiode PINest un dispositif à semi-conducteur constitué d'une jonction PIN qui convertit un signal optique en un signal électrique qui change lorsque la lumière change. Il vise le déficit de PD général, la structure est améliorée et la sensibilité est supérieure à celle de la photodiode à jonction PN générale, et il a les caractéristiques de la conduction unidirectionnelle.

1. Principe et structure de la diode PIN

La diode générale est composée d'un matériau semi-conducteur dopé avec des impuretés de type N et d'un matériau semi-conducteur dopé avec des impuretés de type P directement pour former une jonction PN. La diode PIN consiste à ajouter une fine couche de semi-conducteur intrinsèque à faible dopage entre le matériau semi-conducteur de type P et le matériau semi-conducteur de type N.

Le schéma de structure de la diode PIN est représenté sur la figure 1 car le semi-conducteur intrinsèque est similaire au milieu, cela revient à augmenter la distance entre les deux électrodes du condensateur de jonction PN, de sorte que le condensateur de jonction devient petit. Deuxièmement, la largeur de la couche d'appauvrissement dans le semi-conducteur de type P et le semi-conducteur de type N est élargie avec l'augmentation de la tension inverse, et la capacité de jonction est également faible avec l'augmentation de la polarisation inverse. En raison de l'existence de la couche I, et la région P est généralement très mince, le photon incident ne peut être absorbé que dans la couche I, et la polarisation inverse est principalement concentrée dans la région I, formant une région de champ électrique élevé, et le porteur photogénéré dans la région I accélère sous l'action du fort champ électrique, de sorte que la constante de temps de transit du porteur diminue, améliorant ainsi la réponse en fréquence de la photodiode. En même temps, l'introduction de la couche I agrandit la région d'appauvrissement et élargit la zone de travail efficace de la conversion photoélectrique, améliorant ainsi la sensibilité.

Il existe deux structures de base de la diode PIN, à savoir la structure du plan et la structure de la mesa, comme le montre la figure 2. Pour les diodes à jonction Si-pin133, la concentration de porteurs de la couche I est très faible (environ 10 cm d'ordre de magnitude), la résistivité est très élevée (ordre de grandeur de l'ordre de k-cm), et l'épaisseur W est généralement épaisse (entre 10 et 200m) ; La concentration de dopage des semi-conducteurs de type P et de type N de part et d'autre de la couche I est généralement très élevée.

Les couches I des structures planes et mesa peuvent être fabriquées par la technologie d'épitaxie, et les couches p plus fortement dopées peuvent être obtenues par la technologie de diffusion thermique ou d'implantation ionique. Les diodes planaires peuvent être facilement fabriquées par des processus planaires conventionnels. La diode à structure mésa doit également être fabriquée (par gravure ou rainurage). Les avantages de la structure mesa sont :

① La partie de flexion de la jonction plane est supprimée et la tension de claquage de surface est améliorée ;

②La capacité et l'inductance de bord sont réduites, ce qui est propice à l'amélioration de la fréquence de fonctionnement.

2. État de fonctionnement de la diode PIN sous différents biais

① Dérive positive vers le bas

Lorsque la diode PIN est appliquée avec une tension directe, de nombreuses moles dans la région P et la région N seront injectées dans la région I et recombinées dans la région I. Lorsque le porteur d'injection et le porteur composé sont égaux, le courant I atteint l'équilibre. La couche intrinsèque a une faible résistance en raison de l'accumulation d'un grand nombre de porteurs, de sorte que lorsque la diode PIN est polarisée en direct, elle a une caractéristique de faible résistance. Plus la polarisation directe est importante, plus le courant injecté dans la couche I est important et plus il y a de porteurs dans la couche I, ce qui réduit sa résistance. La figure 3 est le schéma de circuit équivalent sous polarisation positive, et on peut voir qu'il équivaut à une petite résistance avec une valeur de résistance entre 0.1Ω et 10Ω.

② Zéro écart

Lorsqu'aucune tension n'est appliquée aux deux extrémités de la diode PIN, car la couche I réelle contient une petite quantité d'impuretés de type P, à l'interface IN, les trous de la région I diffusent vers la région N et les électrons de la La région N diffuse vers la région I, puis forme une région de charge d'espace. Étant donné que la concentration d'impuretés dans la zone I est très faible par rapport à celle de la zone N, la majeure partie de la zone d'appauvrissement se trouve presque dans la zone I. À l'interface PI, en raison de la différence de concentration (la concentration de trous DANS la région P est beaucoup plus grande que que dans la région I), un mouvement de diffusion se produira également, mais son effet est beaucoup plus faible que celui de l'interface IN et peut être ignoré. Par conséquent, à polarisation nulle, la diode PIN présente un état de résistance élevée en raison de l'existence d'une région d'appauvrissement dans la région I.

③ Biais vers le bas inversé

La polarisation inverse est très similaire à la polarisation nulle, sauf que le champ électrique intégré est renforcé, et l'effet est d'élargir la région de charge d'espace de la jonction IN, principalement vers la région I. À ce moment, la diode PIN peut être équivalente à la résistance plus la capacité, la résistance est la résistance de la région intrinsèque restante et la capacité est la capacité de barrière de la région d'appauvrissement. La figure 4 est le schéma de circuit équivalent de la diode PIN sous polarisation inverse, et on peut voir que la plage de résistance est comprise entre 1Ω et 100Ω, et la plage de capacité est comprise entre 0,1pF et 10 PF. Lorsque la polarisation inverse est trop importante, de sorte que la zone d'appauvrissement remplit toute la zone I, une pénétration de zone I se produira et le tube PIN ne fonctionnera pas normalement.

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