半导体常见的晶体结构

决定半导体材料的基本物理特性，即原子或离子的长程有序的周期性排列。按空间点阵学说，晶体的内在结构可概括为一些相同点在空间有规则地作周期性的无限分布。点子的总体称为点阵，通过点阵的结点可作许多平行的直线组和平行的晶面组。这样，点阵就成网格，称为晶格。由于晶格的周期性，可取一个以格点为顶点、边长等于该方向上的周期的六面体作为重复单元，来概括晶格的特征。固体物理学取最小的重复单元，格点只在顶角上。这样的重复单元只反映晶体结构的周期性，称为原胞。结晶学取较大的重复单元，格点不仅在顶角上，还可在体心和面心上，这样的重复单元既反映晶格的周期性，也反映了晶体的对称性。

常见的半导体的晶体结构有金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型和氯化钠型4种，如图和表所示。在三元化合物半导体中有部分呈黄铜矿型结构，金刚石型、闪锌矿型和氯化钠型结构可看成是由两套面心立方格子套构而成。不同的是，金刚石型和闪锌矿型是两套格子沿体

对角线的1/4方向套构，而氯化钠型则是沿1/2[100]方向套构金刚石晶格中所有原子同种，而闪锌矿和氯化钠晶格中有两种原子闪锌矿型各晶面的原子排布总数目与金刚石型相同，但在同一晶面或同一晶向上，两种原子的排布却不相同。纤锌矿型属六方晶系，其中硫原子呈六方密堆集，而锌原子则占据四面体间隙的一半，与闪锌矿相似，它们的每一个原子场处于异种原子构成的正四面体中心。但闪锌矿结构中，次近邻异种原子层的原子位置彼此错开60°，而在纤锌矿型中，则是上下相对的。采取这种方式使次近邻异种原子的距离更近，会增强正负离子的相互吸引作用，因此，纤锌矿型多出现于两种原子间负电性差大、化学键中离子键成分高的二元化合物中。

基本的半导体器件主要有以下几种：pn结二极管，金属氧化物场效应晶体管（MOS）,双极晶体管（BJT）,结型场效应晶体管。pn结二极管结构：其中pn结二极管由n型半导体和p型半导体接触产生。工作原理：由于二者接触后产生由n型半导体指向p型半导体的内建电场，当外加电压由n型半导体指向p型半导体时进一步增强了其内建电场，因而其电流会很小，当外加电压由p型指向n型时，内建电场降低，电流可顺利通过pn结，形成单向导电的特性。MOS结构：主要由栅极，漏极及源极三部分构成。工作原理：通过栅极控制沟道载流子浓度实现对源极及漏极电流的控制。BJT结构：由发射极，基极，集电极构成。基本原理：通过控制发射极与基极之间的电压以及集电极与基电极之间的电压实现电流的放大，截至等效应。结型场效应晶体管：与MOS构成类似，不同点仅在于其栅极位于沟道的上下两侧。工作原理：上下栅极同时控制沟道的载流子浓度及沟道的宽度实现对电流的控制。

PIN二极管的原理和结构

一般的二极管是由N型杂质掺杂的半导体材料和P型杂质掺杂的半导体材料直接构成形成PN结。而PIN二极管是在P型半导体材料和N型半导体材料之间加一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层。

PIN二极管的结构图如图1所示，因为本征半导体近似于介质，这就相当于增大了P-N结结电容两个电极之间的距离，使结电容变得很小。其次，P型半导体和N型半导体中耗尽层的宽度是随反向电压增加而加宽的，随着反偏压的增大，结电容也要变得很小。由于I层的存在，而P区一般做得很薄，入射光子只能在I层内被吸收，而反向偏压主要集中在I区，形成高电场区，I区的光生载流子在强电场作用下加速运动，所以载流子渡越时间常量减小，从而改善了光电二极管的频率响应。同时I层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使灵敏度得以提高。

图1 PIN二极管的结构示意图

PIN二极管的基本结构有两种，即平面的结构和台面的结构，如图2所示。对于Si-pin133结二极管，其中I层的载流子浓度很低（约为10cm数量级）电阻率很高、（约为k-cm数量级），厚度W一般较厚（在10～200m之间）；I层两边的p型和n型半导体的掺杂浓度通常很高。

平面结构和台面结构的I层都可以采用外延技术来制作，高掺杂的p+层可以采用热扩散或者离子注入技术来获得。平面结构二极管可以方便地采用常规的平面工艺来制作。而台面结构二极管还需要进行台面制作（通过腐蚀或者挖槽来实现）。台面结构的优点是：

①去掉了平面结的弯曲部分，改善了表面击穿电压；

②减小了边缘电容和电感，有利于提高工作频率。

图2 PIN二极管的两种结构

二、PIN二极管在不同偏置下的工作状态

1、正偏下

PIN二极管加正向电压时，P区和N区的多子会注入到I区，并在I区复合。当注入载流子和复合载流子相等时，电流I达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低，所以当PIN二极管正向偏置时，呈低阻特性。正向偏压越大，注入I层的电流就越大，I层载流子越多，使得其电阻越小。图3是正偏下的等效电路图，可以看出其等效为一个很小的电阻，阻值在0.1Ω和10Ω之间。

图3 正向偏压下PIN二极管的等效电路图和正向偏压电流与正向阻抗特性曲线图

2、零偏下

当PIN二极管两端不加电压时，由于实际的I层含有少量的P型杂质，所以在IN交界面处，I区的空穴向N区扩散，N区的电子向I区扩散，然后形成空间电荷区。由于I区杂质浓度相比N区很低，多以耗尽区几乎全部在I区内。在PI交界面，由于存在浓度差（P区空穴浓度远远大于I区），也会发生扩散运动，但是其影响相对于IN交界面小的多，可以忽略不计。所以当零偏时，I区由于存在耗尽区而使得PIN二极管呈现高阻状态。

3、反偏下

反偏情况跟零偏时很类似，所不同的是内建电场会得到加强，其效果是使IN结的空间电荷区变宽，且主要是向I区扩展。此时的PIN二极管可以等效为电阻加电容，其电阻是剩下的本征区电阻，而电容是耗尽区的势垒电容。图4是反偏下PIN二极管的等效电路图，可以看出电阻范围在1Ω到100Ω之间，电容范围在0.1pF到10pF之间。当反向偏压过大，使得耗尽区充满整个I区，此时会发生I区穿通，此时PIN管不能正常工作了。

图4 反向偏压下PIN二极管的等效电路图和反向偏压电流与反向电容特性曲线

三、PIN二极管作为射频开关

3.1 工作原理

因为 PIN二极管的射频电阻与直流偏置电流有关，所以它可以用作为射频开关和衰减器。串联射频开关电路：当二极管正偏时，即接通（短路）；当二极管零偏或者反偏时，即可把带宽:不仅开关的最高工作频率会受到限制，最低工作频率也会受到限制，如PI N 管就不能控制直流或低频信号的通断。受管子截止频率的影响,开关还有一个上限工作频率。要求开关的频带尽量宽，因为信号源的频带越来越宽。

3.2 性能参数

插入损耗和隔离度：插入衰减定义为信号源产生的最大资用功率P 与开关导通时负载获得的实际功率P 之比，即P / P 。若开关在关断时负载上的实际功率为P ，则表示隔离度，写成分贝的形式：

根据网络散射参量的定义，有：

理想开关，在断开时衰减无限大，导通时衰减为零，一般只能要求两者比值尽量大。由于PI N 管的阻抗不能减小到零，也不能增大至无限大，所以实际的开关在断开时衰减不是无限大，导通时也不是零，一般只能要求两者的比值应尽量大，开关的导通衰减称插入损耗，断开时的衰减称为隔离度，插入损耗和隔离度是衡量开关质量优劣的基本指标。目标是设计低插入损耗和高隔离的开关。

功率容量：所谓开关的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二极管的功率容量主要受到以下两方面的限制，管子导通时所允许的最大功耗；管子截止时所能承受的最大反向电压，也就是反向击穿电压。如果开关工作的时候超过了这些限制，前者会导致管内温升过高而烧毁；后者会导致I区雪崩击穿。它由开关开、关状态下允许的微波信号功率的较小者决定。大功率下的非线性效应(IIP3 )也是开关的承受功率的一个主要因素，特别是在移动通信基站中。

驱动器的要求：PI N 管开关和FET 开关的驱动电路是不同的，前者需要提供电流偏置，后者则要求有偏压，驱动器好坏是影响开关速度的主要因素之一。

开关速度：指开关开通和关断的快慢，在快速器件中是一个很重要的指标。可以列出I区中的电流方程如下：

开关速度提高到ns量级，通常采用I层很薄的PIN管，因为薄I层中贮存的载流子数量很少，开关时间大大缩短，这种情况下开关时间基本取决于载流子渡越I层的时间，而与载流子寿命无关。提高开关速度也可选用载流子寿命短的管子，增大控制电流的脉冲幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向击穿电压的限制。

电压驻波比(VSWR)：任何在高频信号通道上的元器件不仅会产生插入损耗，也会导致信号传输线上的驻波的增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成的，这种干涉经常是系统中不同部分的阻抗不匹配或者是系统中连接点的阻抗不匹配造成的。

开关比：一个PIN管，在不考虑封装寄生参量时，其正向状态可用正向电阻R1表示，反向状态可以用反向串联电阻R2和I层容抗jXc，串联表示。由于 >>R2，，故反向状态可近似以jXc表示，我们称正反两种状态下阻抗的比值Xc／R1为开关比，用以衡量PIN开关的优劣。如要使开关比增大，则C和R2必须比较小，可以看出，当频率提高时，开关性能降低。

四、总结

本文介绍了PIN二极管的结构和工作原理，同时分析了其在各种偏压下的工作状态以及等效电路，最后对PIN二极管作为射频开关进行了系统的介绍。PIN二极管相比于普通二极管增加了一层本征层（I层），使得其用途及其广泛，尤其是在射频领域和光电探测方面。因此，深入研究PIN二极管的原理和特性是很有意义的。

什么是 PIN diode

一个硅面结型二极管，在p型半导体层和n型半导体层之间有一层轻渗杂的本征半导体层。其稠密的P和N掺杂区域被相对厚的高电阻率的本征层(I)所分隔，这是在P区和N区之间夹一层本征半导体（或低浓度杂质的半导体）构造的晶体二极管。

PIN中的I是"本征"意义的英文略语。当其工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存贮效应和"本征"层中的渡越时间效应，其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，"本征"区的阻抗很高；在直流正向偏置时，由于载流子注入"本征"区，而使"本征"区呈现出低阻抗状态。因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微波开关）、移相、调制、限幅等电路中。它可以开关微波传输线辣且作为微波限制器在系统峰包功率小于100 kW时取代TR(发射和接收)管；它还可以用作可变微波衰减器，和在微波相阵控系统中作为电子控制的快速反应的移相器。

PIN二极管的特性:

加负电压（或零偏压）时，PIN管等效为电容+电阻；加正电压时，PIN管等效为小电阻。用改变结构尺寸及选择PIN二极管参数的方法，使短路的阶梯脊波导的反射相位（基准相位）与加正电压的PIN管控制的短路波导的反射相位相同。还要求加负电压（或0偏置）的PIN管控制的短路波导的反射相位与标准相位相反（-164°～+164°之间即可）。

图1给出了PIN二极管在正向导通时的电荷分布情况．为简化起见，我们假设I区域中电子与空穴分布对称且分布密度相同．设x＝－d处的空穴分布密度为p1，在［－d,0］区域中的剩余空穴电荷为q2，且位于x＝－d／2处，这样此区域的平均空穴密度为：p2＝q2／qAd．这里A为结面积，q为单位电荷．

图1PIN二极管的电荷分布

由于P＋区域的空穴密度远大于电子密度，这样在x＝－d处的电子电流可以忽略(所引起的误差将在下文讨论)．二极管的电流密度可以表示为

其中Da为扩散常数；Jh为空穴电流密度。

二极管的电流为

电荷q2与电流的关系式为

其中τa为寿命时间．

式(2)及式(3)描述了二极管的模型，通过定义qE＝2q1，qM＝2q2及T＝d2／2Da，两式可简化为

图2表示了在感性负载时二极管的关断过程．此过程可分为两个阶段：从t＝T0到t＝T1，二极管处于低阻抗状态，其电压近似为0，在t＝T1时刻，二极管中I区域边缘的剩余电荷变为0，二极管开始呈现高阻抗状态．在式(4)、(5)中令qE＝0可得t＝T1时刻后二极管的电流为

其中τrr由式(7)给出，Irr为反向恢复电流峰值．

图2反向恢复电流波形

一般情况下，trr、Irr及测试条件di／dt、IFM均在器件的产品手册上列出．根据式(6)及测试条件，τrr可由下式获得

其中a＝－di／dt．

根据图2所示的反向电流波形，qM在t≤T1阶段的表达式为

当t＝T1时，i（T1）＝－Irr＝－qM（T1）／T，代入上式得式(10)，τa可由此式解出

然后参数T可由τa、T及τrr的关系式(7)算出．

从以上的讨论可以看出，该模型的参数可以方便地从产品手册中得到：首先由式(8)计算τrr，再从式(10)解得τa，最后由式(7)决定参数T。

设计PIN二极管时需主要考虑几个参数

1. 插入损耗：开关在导通时衰减不为零，称为插入损耗

2. 隔离度：开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度

3. 开关时间： 由于电荷的存储效应，PIN管的通断和断通都需要一个过程，这个过程所需时间

4. 承受功率： 在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最大输入功率

5. 电压驻波系数： 仅反映端口输入，输出匹配情况

6. 视频泄漏

7. 谐波： PIN二极管也具有非线性，因而会产生谐波，PIN开关在宽带应用场合，谐波可能落在使用频带内引起干扰. 开关分类：反射式和吸收式， 吸收式开关的性能较反射式开关优良

控制方式：采用TTL信号控制。'1'通'0'断

PIN二极管型号的选择主要是根据所做光功率计的测量范围来确定的。常用的PIN二极管(如FU-15PD)都是小信号工作器件,光敏面不合适,能接收的光功率范围很有限,所以一般不用它做光功率计的探测器。

PIN二极管还可以调节到高频范围。为改善隔离特性，我们可以将两个或多个二极管串联起来，但同时会引起介入损耗的增大。PIN二极管本质上还属于电流控制的电阻器。为减少介入损耗，它们需要采用大量的直流电源以降低I（本征）区内的电阻率。这显然会影响电池寿命。这种特点，再加上PIN二极管方案需要大量器件，使得这种技术很难应用于便携手持式产品。

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