Xie M. X.  (UESTC，成都市)

 

pn结和pin结是两种最基本的器件结构，也是两种重要的二极管。从结构和导电机理上来说，它们有许多共同点，但是也存在不少的差异。

l         相同点：

（1）都存在空间电荷区和势垒区，则都有势垒电容；

（2）都具有单向导电性和相应的整流作用，则都可用作为二极管；

（3）在高的反向电压下，都有可能发生绝缘击穿的现象，因此都存在有最高工作电压的限制；

（4）都具有感光作用，可以作为光电二极管和光电池等光电子器件。

l         不同点：

（1）空间电荷区：

pn结的空间电荷区就是界面附近的区域，其中存在较强的内建电场，使得载流子往往被驱赶出去了，故一般可近似为耗尽层。

pin结的空间电荷区是在i型层（本征层）两边的界面附近处，则有两个空间电荷区（即p-i和n-i两个界面的空间电荷区），一个空间电荷区包含有正电荷，另一个空间电荷区包含有负电荷，这些空间电荷所产生的电场——内建电场的电力线就穿过i型层。

（2）势垒区：

pn结中阻挡载流子运动的区域，即存在内建电场的区域就是势垒区；pn结的势垒区也就是空间电荷区，即空间电荷区与势垒区是一致的。

但是pin结中存在内建电场的区域是整个i型层加上两边的空间电荷区，因此势垒区很宽（主要就是i型层的厚度），这时势垒区与空间电荷区并不完全一致（势垒厚度远大于空间电荷区）。

（3）势垒电容：

pn结的势垒电容也就是空间电荷区的电容，而空间电荷区的厚度与外加电压有关，则势垒电容是一种非线性电容；并且pn结的势垒电容也与两边半导体的掺杂浓度和温度有关（掺杂浓度越大，或者温度越高，势垒厚度就越小，则电容也就越大）。

但是pin结的势垒电容基本上就是i型层的电容，因此该势垒电容是一种线性电容；并且pin结的势垒电容与两边半导体的掺杂浓度和温度基本上没有什么关系。由于i型层较厚，则pin结的势垒电容很小，因此可用作为微波二极管。

（4）导电机理：

pn结的电流主要是注入到势垒区两边扩散区中少数载流子的扩散电流，这就意味着：通过pn结的电流是少数载流子扩散电流，并且少数载流子的扩散是在势垒区以外的扩散区中进行的。而势垒区的影响只是其中复合中心提供少量的复合-产生电流（只在低电压时起重要作用）。

但是pin结的电流主要是较宽的势垒区（～i型层）中的复合电流。因此在通过的电流的性质上，与一般pn结的大不相同。虽然它们的伏安特性基本上都是指数式上升的曲线关系，但是上升的速度却有一定的差别，pin结的正向伏安特性曲线上升得稍慢一点，如图1所示。 

http://s4/mw690/001HzShVzy6LxyhfInF83&690 光电池 光电二极管" TITLE="pin结与pn结的特性比较  光电池 光电二极管" />

图1  两种结的伏安特性比较

       （5）势垒高度和正向压降：

 

热平衡时pn结和pin结的势垒高度（～内建电势Vo与电子电荷q的乘积），原则上都由两边半导体的Fermi能级所决定，因此基本上都是一样的。可以想见，不管在n区和p区之间的半导体状况怎样（是否有本征半导体或者有高阻半导体），只要是电荷耗尽的势垒区，就构成pn结，它的势垒高度就都基本上由两边的n型和p型半导体的掺杂来决定，如图2（a）所示（pn结和pin结的势垒高度都是qV0）。

 

热平衡时pn结和pin结的势垒高度（～内建电势Vo与电子电荷q的乘积），原则上都由两边半导体的Fermi能级所决定，因此基本上都是一样的。可以想见，不管在n区和p区之间的半导体状况怎样（是否有本征半导体或者有高阻半导体）， 

但是pn结和pin结的导通电压却大不相同。对于通常的pn结，因为其中的势垒区是强电场区域，则pn结在导通时，势垒区上不会产生压降，因此pn结的正向压降VF就主要决定于势垒高度（最大不可能超过内建电势V0）。对于pin结，它的导通压降应该包含有三个部分：i区上的压降及其两端势垒的压降。如果i区的长度小于载流子的扩散长度（L=√(Dτ)），则从两端注入的载流子就能够分布到整个i区，并且属于大注入情况，从而会产生电导调制效应，使得绝缘性的i区能很好导电，同时i区中还存在着电场，于是造成i区的压降几乎为0，所以这种pin结的正向压降就主要是i区两端势垒上的压降；而该两端势垒的高度较低，所以不需要多大的正向电压就能够注入载流子，则两端势垒的正向压降也都较低。总之，短i区的pin结的正向压降要显著地小于普通pn结的正向压降。如图2（b）所示。对于许多功率半导体器件，由于它在导通工作时都可近似地等效为一个正偏的pin结，因此作为耐压层或者漂移区的i层的厚度就应该与载流子的扩散长度相当（所以要选取适当长一些的载流子寿命），这样才能产生电导调制效应而降低漂移区的电阻，以降低整个器件的导通电阻。

然而，对于较长i区的pin结，其正向压降将会大大增加，因为这时注入到i区的载流子不能扩散到中部区域，则i区就不能产生很好的电导调制效应，所以i区的电阻较大，从而导致i区的压降显著增大。

http://s12/mw690/001HzShVzy6LxyjUAQj2b&690 光电池 光电二极管" TITLE="pin结与pn结的特性比较  光电池 光电二极管" />

   

（6）工作电压：

pn结的势垒厚度一般较薄，并且电场在pn结界面处最大，则容易发生雪崩击穿，从而承受的反向电压有限。

但是pin结的势垒厚度很大（～i型层），并且电场在i型层中的分布基本上是均匀的，则不容易发生雪崩击穿，能够承受很大的反向电压，从而pin结二极管可用作为高电压大功率器件。

（7）感光（探测）灵敏度：

作为光电子器件（光电二极管、红外探测器、太阳电池等）使用时，感光（探测）灵敏度主要决定于势垒区的宽度。

pn结因为势垒厚度较薄，则感光灵敏度较小。

但是pin结由于它的势垒厚度很大（～i型层），则能够吸收大量的光子、并转换为载流子——光生载流子，所以感光和探测辐射的灵敏度很高。