PIN光电二极管原理

PIN光电二极管与传统的PN结二极管相比在结构上有所不同。所谓的PIN二极管指的是在原有的PN结型二极管的N型半导体与P型半导体间再增加一层本征半导体(I层)，这使得PN结型二极管结构发生了变化，这就导致了其性能也与PN结型的二极管有所不同。PIN光电二极管的性能优异，它的灵敏度很高，体积小，可靠性高。广泛的应用在工业，军事，科研等领域。具有较为宽广的市场前景。

图 PIN光电二极管
 
PIN光电二极管的基本原理
在制造PIN半导体的时候，I层本征半导体层达不到绝对的纯净。当中或多或少都掺杂了一些P型杂质(空穴较多)，或N型杂质(电子较多)。下面以I层中掺杂了P型杂质为例进行说明。PIN半导体的结构如下图所示。

图 PIN光电半导体结构
 
在零偏置电压的状态下，I区与N区的界面，由于I层掺杂有少量的P型杂质，所以这时I区与N区间就相当于形成了一个PN结。N区的电子向I区扩散，I区的空穴向N区扩散，I区与P区上就形成了一个空间电荷区。N区的电子浓度很高，所以N区一边的空间电荷区很薄。I区的掺杂浓度较低，整个空间电荷区的大小几乎与I层的空间电荷区大小相等。如下图所示。

图 I区与N区的载流子移动
 
相较之下，P区与I区之间的载流子扩散很小，几乎可以忽略。所以在零偏置电压的状态下，I区与N区间的空间电荷区的载流子几乎被耗尽，成高阻抗状态。I区与P区载流子移动很少。整体呈高阻状态。
 
在电压正偏的状态下，P区的空穴在正向电压的作用下被注入I层，N区的电子也被注入I层。电子与空穴在I层中复合。在外加电场的作用下，I区与N区间的空间电荷区变小。当I区中的载流子复合数目与注入的载流子数目相等时，电流稳定。I区在正向偏压的作用下，源源不断的得到载流子。I区中的载流子不断增多，I区成低阻状态。所以PIN二极管的整体呈低阻状态。原理如下图所示。

图 正向偏压
 
在施加反向电压时，I区与N区在反向电压与内电场的共同作用下，使得空间电荷区增加。当不断增加反向电压时，空间电荷区不断的向I区扩展。最后使得I区完全成为空间电荷区。当电压达到一定时，PIN二极管被击穿。因为此时的I区已经变味空间电荷区，所以反向击穿的状态可以参考PN结二极管的击穿状态。原理如下图所示。

图 反向偏压
 
PIN光电二极管与普通二极管的异同
在低频应用领域，PIN光电二极管与一般的PN结型二极管没有什么不同，它们都具有整流的作用。但在高频甚至在微波领域的应用中，由于PIN 二极I层的总电荷主要由偏置电流产生。而不是由微波电流瞬时值产生，所以PIN二极管对微波信号只呈现一个线性电阻。此阻值由直流偏置决定，正偏时阻值小，接近于短路，反偏时阻值巨大，接近于开路。因此PIN 二极管对微波信号不产生整流作用。