PIN 다이오드의 원리와 응용 분야는 무엇입니까? (1 부 )

PIN 포토다이오드광 신호를 빛의 변화에 ​​따라 변하는 전기 신호로 변환하는 PIN 접합으로 구성된 반도체 장치입니다. 일반 PD의 결점을 겨냥하여 구조를 개선하고 일반 PN 접합 포토다이오드보다 감도가 높으며 단방향 전도 특성을 갖는다.

1. PIN 다이오드의 원리와 구조

일반적인 다이오드는 N형 불순물이 도핑된 반도체 물질과 P형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 직접 구성되어 PN 접합을 형성한다. PIN 다이오드는 P형 반도체 재료와 N형 반도체 재료 사이에 저농도 진성 반도체를 얇게 추가하는 것입니다.

PIN 다이오드의 구조도는 진성 반도체가 매질과 유사하기 때문에 그림 1에 나와 있으며 이는 PN 접합 커패시터의 두 전극 사이의 거리를 증가시켜 접합 커패시터가 작아지는 것과 같습니다. 둘째, P형 반도체와 N형 반도체에서 공핍층의 폭은 역전압이 증가함에 따라 넓어지고 접합 커패시턴스도 역바이어스가 증가함에 따라 작아진다. 레이어 I의 존재로 인해 P 영역은 일반적으로 매우 얇아서 입사 광자는 레이어 I에만 흡수될 수 있으며 역방향 바이어스는 주로 I 영역에 집중되어 높은 전기장 영역을 형성하고 광 생성 캐리어 영역 I에서 강한 전기장의 작용으로 가속되므로 캐리어 통과 시간 상수가 감소하여 포토다이오드의 주파수 응답이 향상됩니다. 동시에 층 I의 도입은 공핍 영역을 확대하고 광전 변환의 유효 작업 영역을 넓혀 감도를 향상시킵니다.

PIN 다이오드의 기본 구조는 그림 2와 같이 평면 구조와 메사 구조의 두 가지 기본 구조가 있습니다. Si-pin133 접합 다이오드의 경우 레이어 I의 캐리어 농도가 매우 낮습니다(약 10cm 오더). 크기), 저항률이 매우 높고(약 k-cm 크기) 두께 W는 일반적으로 두껍습니다(10~200m). I층의 양쪽에 있는 P형 및 N형 반도체의 도핑 농도는 일반적으로 매우 높습니다.

평면 및 메사 구조의 I층은 에피택시 기술로 제조할 수 있으며, 고도로 도핑된 p+층은 열 확산 또는 이온 주입 기술로 얻을 수 있습니다. 평면 다이오드는 기존의 평면 공정으로 쉽게 제작할 수 있습니다. 메사 구조 다이오드도 제작해야 합니다(에칭 또는 홈 가공). 메사 구조의 장점은 다음과 같습니다.

① 면접합의 휘어진 부분이 제거되어 표면파괴전압이 개선된다.

②에지 커패시턴스와 인덕턴스가 감소하여 작동 주파수 향상에 도움이 됩니다.

2. 다른 바이어스 하에서 PIN 다이오드 작동 상태

①포지티브 하향 드리프트

PIN 다이오드에 순방향 전압을 인가하면 P영역과 N영역의 많은 몰이 I영역으로 주입되어 I영역에서 재결합하게 된다. 주입 캐리어와 화합물 캐리어가 같을 때 전류 I는 평형에 도달합니다. 진성층은 많은 수의 캐리어가 축적되어 저항이 낮기 때문에 PIN 다이오드를 순방향 바이어스할 때 낮은 저항 특성을 갖는다. 순방향 바이어스가 클수록 I 레이어에 주입되는 전류가 커지고 I 레이어의 캐리어가 많아져 저항이 작아집니다. 그림 3은 양의 바이어스 하에서의 등가회로도로서 0.1Ω~10Ω 사이의 저항값을 갖는 작은 저항과 등가임을 알 수 있다.

② 편차 제로

PIN 다이오드 양단에 전압을 인가하지 않으면 실제 I층에는 P형 불순물이 소량 포함되어 있기 때문에 IN 계면에서는 I영역의 정공이 N영역으로 확산되어 N 영역은 I 영역으로 확산되어 공간 전하 영역을 형성합니다. Zone I의 불순물 농도는 Zone N에 비해 매우 낮기 때문에 대부분의 공핍 영역은 거의 Zone I에 있습니다. PI 인터페이스에서 농도 차이로 인해(P 영역의 정공 농도가 I 영역에서) 확산 운동도 발생하지만 그 효과는 IN 인터페이스에서보다 훨씬 작고 무시할 수 있습니다. 따라서 제로 바이어스에서 PIN 다이오드는 I 영역에 공핍 영역이 존재하기 때문에 높은 저항 상태를 나타냅니다.

③ 역 하향 바이어스

역방향 바이어스는 내장된 전기장이 강화되고 그 효과가 주로 I 영역을 향해 IN 접합의 공간 전하 영역을 넓히는 것을 제외하면 제로 바이어스와 매우 유사합니다. 이때 PIN 다이오드는 저항에 커패시턴스를 더한 것과 같을 수 있으며, 저항은 나머지 진성 영역 저항, 커패시턴스는 공핍 영역의 배리어 커패시턴스입니다. 그림 4는 PIN 다이오드의 역방향 바이어스 등가 회로도이며 저항 범위는 1Ω ~ 100Ω 사이이고 정전 용량 범위는 0.1pF ~ 10PF 사이임을 알 수 있습니다. 역 바이어스가 너무 커서 고갈 영역이 I 영역 전체를 채우면 I 영역 침투가 발생하고 PIN 튜브가 정상적으로 작동하지 않습니다.

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