图3-24 PIN二极管结构图

从上一节PN结的雪崩击穿分析可以知道，要想得到高阻断电压的PN结器件，P区或N区必须有一侧是轻掺杂区。在实际应用中，对于高压的半导体，比如耐压大于10kV，一般采用轻掺杂N型，即N-，主要原因有两个：

1）工艺上更可行；

2）在给定的电压等级下，P⁺N结比PN⁺结厚度小，这点非常重要，厚度的增加会使器件的损耗增加。

所以使用P⁺N结是制作高压二极管好的选择，然而在实际应用作用，轻掺杂的N型半导体与金属连接会产生较大的接触电阻，这在高电流密度的电力半导体器件中是不可接受的。一种解决办法是构造如图3-24所示的P+NN+结，此时重掺杂区N+跟金属的接触电阻就非常低了。从本质说，PIN二极管是多PN结器件，具有P⁺N和NN⁺两个结，在N区的两侧都是重掺杂区。

当PIN正向偏置时，可以认为两个结都是正偏置。如上一节所述，由于PN结的正向注入效应（少子注入效应），P⁺的空穴被注入到N区，同样N⁺的电子也被注入到N区。在N区，所注入的空穴和电子浓度比本地的平衡多子浓度还要高出许多倍，这样的过剩载流子改变了N区的导电行为。此时N区掺杂原子自己的空穴和电子不再对其导电行为有显著影响作用，就像此区域内没有掺杂一样，即表现的像本征（intrinsic）半导体，这就是PIN二极管中的字母“I”的由来。

一个PIN二极管中的物理过程，包括能带分布、载流子浓度和电流密度与电压关系等的计算是十分复杂的，其中还涉及许多在普通PN结中忽略的物理现象，所以在PIN二极管的行为分析时，使用非常简化的模型，且只能在一定程度上进行近似。

图3-25 PIN二极管的能带图

一个平衡条件下的PIN二极管的能带图如图3-25所示，PIN二极管是三层两结结构，存在两个结，即J₁和J₂。中间的区域掺杂浓度很低，在工作时表现为本征特性，在简化的模型中，也可以认为其在没有偏置的情况下也是本征的（毕竟没有偏置的器件在电力变换器中是不发挥作用的，器件绝大部分时间都工作在正偏置和反偏置的情况下），也可以认为在此区域内同时掺杂了浓度为n_i的施主和受主原子。则在中间的本征区内有

n=p=n_i （3-17）

此时在J₁和J₂结上会产生自建电场，形成空间电荷区，而两个结的势垒接触电压分别为

式中N_A、N_D——P⁺和N⁺区的受主和施主原子浓度。

当PIN二极管反向偏置，即阳极接负电压，阴极接正电压，此时PIN二极管的行为非常像一个简单的PN结，存在反向饱和电流。但是当PIN二极管正向偏置时，其行为跟简单的PN结有很大差别。

经过简化的正向偏置PIN二极管中的载流子分布如图3-26所示。施加正向偏置到PIN二极管后，J₁和J₂结的势垒减小了，载流子的漂移运动被削弱，P⁺ N结处空穴被注入到N区，电子被注入到P⁺区。如果认为此结是理想的突变结，注入效率γ=1，则可以忽略从N区注入到P⁺区的电子，通过J₁的电流全是空穴电流。同样，也可以认为通过J₂的电流全是电子电流。(www.daowen.com)

从两边重掺杂区注入的空穴和电子无法通过另外一个结，即通过J₁注入的空穴无法通过J₂，通过J₂注入的电子无法通过J₁。空穴和电子必须在中间的本征区内复合，本征区中的载流子浓度会逐渐增大，直至复合率能够平衡流入的与流出的电子和空穴流之差。同时，载流子浓度间微小的不平衡足以导致电场发生改变。这样，PIN二极管的电流大小在很大程度上取决于本征区的复合率。

图3-26 正向偏置PIN二极 管中的载流子分布

如果假设正向偏置PIN二极管内本征区内的载流子浓度是均匀的（即本征区的宽度比载流子的扩散长度小得多），同时认为两侧高掺杂区的杂质原子浓度相等（N_A和N_D相等），外加的偏置电压被两个结均分。则可以推导出PIN二极管正向偏置时电压和电流密度的关系为

式中 n_i——本征载流子浓度；

W_i——本征区宽度；

τ——载流子寿命。

实际上，PIN二极管伏安特性的计算要复杂得多，需要考虑的因素也很多，比如外加的偏置电压在两个结上的比例并不相等，还有一部分加在中间的本征区；本征区内的载流子分布不是均匀相等。一般说来，一般的PIN二极管（即功率二极管）的正向电流-电压特性可以表示为

U_F=k₀+k¹lnJ+k₂J^m （3-21）

其中，系数m的典型值在0.6～0.8之间；系数k₀、k₁和k₂依赖于温度和二极管结构的特征参数，如载流子寿命、掺杂浓度和各层的厚度等。为方便电路分析，经常会用一个阈值电压U_F0和微分电阻R_on来表征二极管的电流-电压特性，如图3-27所示。这种近似下计算器件的参数（如损耗）很方便，同时可以对不同类型的二极管进行简单的比较。

温升对PIN二极管的正向压降的影响相当复杂。因为本征载流子浓度随温度升高而增加，所以在两个结上的压降会随温度的升高而减低，就如简单的PN结特性一样。但是在PIN二极管中，本征区内的载流子的迁移率会随着温度的升高而降低，本征区上的压降增加，但是载流子寿命又会增加一些，抵消一部分迁移率带来的影响。所以对于一些PIN二极管来说，不同温度的电流-电压曲线会出现交点，如图3-28所示。在小电流密度下，压降随温度升高而减小，但在大电流密度下随温度升高而增大。

图3-27 PIN二极管的正向偏置 电流-电压曲线

图3-28 某PIN二极管正向偏置 电流-电压曲线