PINダイオードの原理と用途は何ですか? （パート1 ）

PINフォトダイオードは、光信号を光の変化に応じて変化する電気信号に変換する PIN 接合で構成される半導体デバイスです。 一般的なPDの欠点を改善し、構造を改良したもので、一般的なPN接合フォトダイオードよりも感度が高く、一方向伝導の特性を持っています。

1. PINダイオードの原理と構造

一般的なダイオードは、N型不純物をドープした半導体材料とP型不純物をドープした半導体材料を直接組み合わせてPN接合を形成しています。 PIN ダイオードは、P 型半導体材料と N 型半導体材料の間に低ドーピングの真性半導体の薄層を追加します。

PIN ダイオードの構造図を図 1 に示します。真性半導体が媒質に似ているため、これは PN 接合コンデンサの 2 つの電極間の距離を長くすることに相当し、接合コンデンサが小さくなります。 第二に、P 型半導体と N 型半導体の空乏層の幅は逆電圧の増加に伴って広がり、逆バイアスの増加に伴って接合容量も小さくなります。 層Iの存在とP領域は一般に非常に薄いため、入射光子は層Iでのみ吸収され、逆バイアスは主に領域Iに集中し、高電界領域を形成し、光生成キャリアが領域では、強い電界の作用下でIが加速するため、キャリア走行時定数が減少し、それによってフォトダイオードの周波数応答が改善されます。 同時に、層Iの導入により空乏領域が拡大し、光電変換の有効動作領域が広がるため、感度が向上します。

PIN ダイオードには、図 2 に示すように、プレーン構造とメサ構造の 2 つの基本構造があります。Si-pin133 接合ダイオードの場合、層 I のキャリア濃度は非常に低くなります (約 10cm オーダー)大きさ）、抵抗率は非常に高く（約 k-cm の大きさ）、厚さ W は一般に厚い（10 ～ 200 μm）。 通常、I 層の両側の P 型半導体と N 型半導体のドーピング濃度は非常に高くなります。

プレーナ構造とメサ構造の両方の I 層はエピタキシー技術によって製造でき、高濃度にドープされた p プラス層は熱拡散またはイオン注入技術によって得ることができます。 プレーナダイオードは、従来のプレーナプロセスによって簡単に製造できます。 メサ構造ダイオードも加工（エッチングまたは溝加工）する必要があります。 メサ構造の利点は次のとおりです。

① 平面接合の屈曲部分を除去し、表面耐圧を向上させます。

②エッジ容量やインダクタンスが低減され、動作周波数の向上につながります。

2. 異なるバイアス下でのPINダイオードの動作状態

①プラスの下方ドリフト

PIN ダイオードに順方向電圧が印加されると、P 領域と N 領域の多くのモルが I 領域に注入され、I 領域で再結合します。 注入キャリアと化合物キャリアが等しい場合、電流 I は平衡に達します。 真性層はキャリアが多く蓄積されているため抵抗が低く、PINダイオードが順方向にバイアスされている場合には低抵抗特性を示します。 順方向バイアスが大きいほど、I 層に注入される電流が大きくなり、I 層内のキャリアが多くなり、その抵抗が小さくなります。 図3は正バイアス時の等価回路図で、抵抗値が0.1Ω～10Ωの小さな抵抗と等価であることがわかります。

②ゼロ偏差

PIN ダイオードの両端に電圧が印加されていない場合、実際の I 層には少量の P 型不純物が含まれているため、IN 界面では、I 領域の正孔が N 領域に拡散し、N 領域の電子が拡散します。 N領域はI領域に拡散し、空間電荷領域を形成します。 ゾーン I の不純物濃度はゾーン N に比べて非常に低いため、空乏ゾーンの大部分はほぼゾーン I にあります。PI 界面では、濃度差により (P 領域内のホール濃度は P 領域よりもはるかに大きくなります) I 領域では拡散運動も発生しますが、その影響は IN 界面での影響よりもはるかに小さいため、無視できます。 したがって、ゼロバイアスでは、PIN ダイオードは I 領域に空乏領域が存在するため、高抵抗状態を示します。

③逆下向きバイアス

逆バイアスは、内蔵電界が強化される点を除いてゼロ バイアスと非常に似ており、その効果は IN 接合の空間電荷領域を、主に I 領域に向かって広げることです。 このとき、PIN ダイオードは抵抗と容量を加えたものと等価であり、抵抗は真性領域の残りの抵抗、容量は空乏領域のバリア容量となります。 図4は逆バイアス時のPINダイオードの等価回路図で、抵抗範囲は1Ω～100Ω、静電容量範囲は0.1pF～10PFであることがわかります。 逆バイアスが大きすぎて空乏層が I ゾーン全体を占めると、I ゾーンの貫通が発生し、PIN 管が正常に動作しなくなります。

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