( pin结的导电机理与一般pn结有何不同？)

作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)

pin结就是在p型半导体与n型半导体之间，人为地加上一层较厚的本征层（i型层）而构成的一种特殊形式的p-n结。pin结的空间电荷区分别在i型层两边的界面处，而整个的i型层中没有空间电荷，但是存在由两边的空间电荷所产生出来的电场——内建电场，所以pin结的势垒区就是整个的i型层。这时的势垒区并不与空间电荷区完全一致。

pin结二极管是一种重要的微波两端器件，也是一种重要的高压两端器件，而更重要的是可以说它是各种功率器件工作的基础。

（1）基本概念：

众所周知，一般p-n结的导电（较大的正向电流以及很小的反向电流）主要是由于少数载流子在势垒区以外的两边扩散区中进行扩散所造成的；扩散区是不存在电场的电中性区。这里实际上暗示着载流子渡越势垒区的速度很快，即忽略了存在强电场的势垒区的阻挡作用；当然，这种处理也只有在势垒区较薄（小于载流子的平均自由程）时才是允许的。而对于势垒区厚度≈载流子平均自由程的p-n结，载流子渡越势垒区的过程所造成的影响，主要是反映在增加一定的产生-复合电流上。

但是，对于pin结，由于它的势垒区就是整个的i型层（存在电场），则其势垒区厚度必将远远大于载流子的平均自由程，因此这时载流子渡越势垒区的过程就再也不能忽略了。实际上，pin结的单向导电性也正是由于载流子渡越i型层的特殊过程（不是扩散、而是复合与产生的过程）所造成的；相反，i型层两边的扩散区却对于pin结导电性能的影响较小。

（2）pin结的导电机理：

当pin结处于正偏时，势垒高度降低，则电子和空穴分别从两边大量注入到本征的i型层，当然这必定是“大注入”；这时就不能区分多数载流子和少数载流子了，即可以认为i型层中的电子浓度等于空穴浓度（n=p），并且均匀分布。在i型层中，由于这种注入，即使得np>ni2，于是注入的这些电子和空穴将在i型层中发生复合，并从而形成较大的通过pin结的电流。可见，pin结的正向电流从性质上来说，它是非平衡载流子在i型层中的复合电流，载流子的复合越快，电流就越大。

当pin结反偏时，势垒中的电场增强，势垒高度增大，则i型层中的载流子将进一步减少，即使得np<ni2，于是在i型层中将发生载流子的产生作用——产生出额外的电子和空穴（非平衡载流子）；然后这些产生出的非平衡载流子被电场扫向两边的p区和n区，并从而形成通过pin结的反向电流。可见，pin结的反向电流从性质上来说，它也是在i型层中形成的电流——产生电流；i型层中产生载流子的作用越强，反向电流就越大。

总之，pin结的导电机理不同于一般的p-n结。一般p-n结主要是由于少数载流子在两边扩散区中进行扩散而导电；pin结则主要是由于载流子在i型层中的复合-产生作用而导电（两边扩散区中少数载流子的扩散过程则由于其浓度梯度很小而可以忽略）。 

（3）pin结的单向导电性：

对于Si、Ge等间接能带结构的半导体，其中载流子的复合与产生，都是通过复合中心——间接过程来实现的。所以，对于Si、Ge等的pin结，其正向电流和反向电流的大小，则将主要决定于i型层中复合中心的数量及其性质。

因为最有效的复合中心是能级靠近禁带中央的那些杂质和缺陷，它们的净复合率最大，根据间接复合的SRH理论，可以给出为

Umax = (ni/2τo) exp(qVf/2kT)

其中Vf为加在pin结上的正向电压，τo为i型层中浓度为Nt、复合截面为σo的复合中心的有效复合寿命（τo =1/(σo vth Nt )）。把Umax对整个i型层（设厚度为W）进行积分，就得到正偏pin结复合中心所引起的总的复合电流密度：

J(正向复合) = (qniW/2τo) exp(qVf/2kT)

这就是pin结的正向电流密度。可见，正向电流与正向电压之间基本上有指数函数的关系（这种关系稍微弱于一般p-n结的正向特性[指数上多出了一个2]）；并且复合电流与i型层中的复合中心浓度直接有关（复合中心越多，寿命τo就越短，则复合电流越大）；同时，还与i型层厚度（W）有关。pin结这种指数式上升正向特性的出现，主要是由于正向电压使势垒高度降低、导致载流子注入指数式增大所造成的。

当pin结反偏时，i型层中的复合中心将产生出载流子。由上面最有效复合中心的最大复合率表示式，可以得到反偏时的最大产生率为（设载流子的产生寿命为τg）

Umax = (ni/2τg)

从而得到pin结的反向电流密度为

J(反向产生) = q Umax W = (qniW/2τo)

可见，i型层中复合中心的产生电流与复合中心的产生寿命τg直接有关（即与复合中心的浓度有关）；同时，i型层的产生电流还与i型层厚度（W）有关。因为i型层的厚度基本上不随反向电压而变化，所以pin结的反向电流也就与反向电压无关——反向饱和电流。如果i型层中的复合中心浓度不是很大，则反向电流的数值也一定较小。

总之，pin结的伏安特性可以统一表示为

J = Js [exp(qV/2kT) -1]

当电压V取正值时，即得到指数式上升的特性曲线；当电压V取负值时，即得到反向饱和电流Js。可见，这与一般p-n结伏安特性的形式基本相同（只是曲线上升的速度稍微缓和一些）。因此，pin结也与一般p-n结一样具有很好的单向导电性。