快恢复二极管的P-I-N结构详解

 想要理解快恢复二极管的PIN结，那么我们就要先来了解下普通二极管的PN结。

  普通二极管一般的都是以半导体PN结为基础的。在N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。由于N区和P区交界处电下和空穴的浓度差别，造成了各区的多数载流子（多子）向另一一区移动的扩散运动，到对方区内成为少数载流子（少子），从而在界面两侧分别留下了带正，负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷被称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场成自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子(对本区而言则为多子)向本区运动，这就是所谓的漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值。形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。
 
  当PN结外加正向电压(正向偏置)，即外加电压的正端接p区、负端接N区时，外加电场与PN结自建电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称之为正向电流IF。当外加电压升高时，自建电场将进一步被削弱，扩散电流进一步增加。这就是PN结的正向导通状态。当PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加，当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度生相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。
 
  当PN结外加反向电压时(反向偏置)，外加电场与PN结自建电场方向相同，使得少子的漂移运动大于多子的扩散运动。形成漂移电流，在内部造成空间电荷区变宽，而在外电路上则形成自N区流入而从P区流出的电流，称之为反向电流IR。但是少子的浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于情定，被称为反向饱和电流Is，一般仅为微安数量级，因此反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。
 
  这就是PN结的单向导电性，二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。
  PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。反向击穿按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。反向击穿发生时，只要外电路中采取了措施，将反向电流限制在一定范围内，到当反向电压降低后PN结仍可恢复原来的状态。但如果反向电流未被限制住，使得反向电流和反向电压的乘积超过了PN结容许的耗散功率，就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升，直至过热而烧毁，这就是热击穿。
 
  PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应、称为结电容CJ.-被称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比，而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结电容影响PN结的工作频率、特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。 
 
  快恢复二极管的内部结构属于PIN结，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压（耐压值）较高。  （1）基本结构
　因为PD的主要有源区是势垒区，所以展宽势垒区即可提高灵敏度。p-i-n结快恢复二极管实际上也就是人为地把p-n结的势垒区宽度加以扩展，即采用较宽的本征半导体（i）层来取代势垒区，而成为了p-i-n结。

　　p-i-n结快恢复二极管的有效作用区主要就是存在有电场的i型层（势垒区），则产生光生载流子的有效区域增大了，扩散的影响减弱了，并且结电容也大大减小了，所以其光检测的灵敏度和响应速度都得到了很大的提高。

（2）基本设计考虑

　　p-i-n结快恢复二极管中i型层的厚度d是一个重要的结构参量，从提高响应速度和灵敏度来看，要求d应该大一些；但是若d过大，则载流子在i层中漂移（速度为vd）的时间（d / vd）将增长，这反而不利，因此可根据d / vd = 调制信号周期T的一半来选取，即有d = vd T / 2。另外，为了减小表面半导体层对光的吸收作用，应该采用禁带宽度较大的窗口材料。 
 



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