PIN光電二極管原理

PIN光電二極管與傳統的PN結二極管相比在結構上有所不同。所謂的PIN二極管指的是在原有的PN結型二極管的N型半導體與P型半導體間再增加一層本征半導體(I層)，這使得PN結型二極管結構發生了變化，這就導致了其性能也與PN結型的二極管有所不同。PIN光電二極管的性能優異，它的靈敏度很高，體積小，可靠性高。廣泛的應用在工業，軍事，科研等領域。具有較為寬廣的市場前景。

圖 PIN光電二極管
 
PIN光電二極管的基本原理
在制造PIN半導體的時候，I層本征半導體層達不到絕對的純凈。當中或多或少都摻雜了一些P型雜質(空穴較多)，或N型雜質(電子較多)。下面以I層中摻雜了P型雜質為例進行說明。PIN半導體的結構如下圖所示。

圖 PIN光電半導體結構
 
在零偏置電壓的狀態下，I區與N區的界面，由于I層摻雜有少量的P型雜質，所以這時I區與N區間就相當于形成了一個PN結。N區的電子向I區擴散，I區的空穴向N區擴散，I區與P區上就形成了一個空間電荷區。N區的電子濃度很高，所以N區一邊的空間電荷區很薄。I區的摻雜濃度較低，整個空間電荷區的大小幾乎與I層的空間電荷區大小相等。如下圖所示。

圖 I區與N區的載流子移動
 
相較之下，P區與I區之間的載流子擴散很小，幾乎可以忽略。所以在零偏置電壓的狀態下，I區與N區間的空間電荷區的載流子幾乎被耗盡，成高阻抗狀態。I區與P區載流子移動很少。整體呈高阻狀態。
 
在電壓正偏的狀態下，P區的空穴在正向電壓的作用下被注入I層，N區的電子也被注入I層。電子與空穴在I層中復合。在外加電場的作用下，I區與N區間的空間電荷區變小。當I區中的載流子復合數目與注入的載流子數目相等時，電流穩定。I區在正向偏壓的作用下，源源不斷的得到載流子。I區中的載流子不斷增多，I區成低阻狀態。所以PIN二極管的整體呈低阻狀態。原理如下圖所示。

圖 正向偏壓
 
在施加反向電壓時，I區與N區在反向電壓與內電場的共同作用下，使得空間電荷區增加。當不斷增加反向電壓時，空間電荷區不斷的向I區擴展。最后使得I區完全成為空間電荷區。當電壓達到一定時，PIN二極管被擊穿。因為此時的I區已經變味空間電荷區，所以反向擊穿的狀態可以參考PN結二極管的擊穿狀態。原理如下圖所示。

圖 反向偏壓
 
PIN光電二極管與普通二極管的異同
在低頻應用領域，PIN光電二極管與一般的PN結型二極管沒有什么不同，它們都具有整流的作用。但在高頻甚至在微波領域的應用中，由于PIN 二極I層的總電荷主要由偏置電流產生。而不是由微波電流瞬時值產生，所以PIN二極管對微波信號只呈現一個線性電阻。此阻值由直流偏置決定，正偏時阻值小，接近于短路，反偏時阻值巨大，接近于開路。因此PIN 二極管對微波信號不產生整流作用。