dioda PIN

dioda PIN
	Warstwy diody PIN
Typ	półprzewodnikowy
Wynaleziony	1950
Symbol elektroniczny
	; Dioda może być oznaczona na schemacie literami „PIN”.

Dioda PIN to dioda z szerokim, niedomieszkowanym wewnętrznym obszarem półprzewodnikowym między półprzewodnikiem typu p a obszarem półprzewodnika typu n . Regiony typu p i typu n są zwykle silnie domieszkowane , ponieważ są używane do styków omowych .

Szeroki obszar wewnętrzny różni się od zwykłej diody p-n . Szeroki obszar wewnętrzny sprawia, że dioda PIN jest gorszym prostownikiem (jedna z typowych funkcji diody), ale sprawia, że nadaje się ona do tłumików, szybkich przełączników, fotodetektorów i wysokonapięciowych zastosowań w energoelektronice.

Fotodioda PIN została wynaleziona przez Jun-Ichi Nishizawę i jego współpracowników w 1950 roku. Jest to urządzenie półprzewodnikowe.

Operacja

Dioda PIN działa pod tak zwanym wtryskiem wysokiego poziomu . Innymi słowy, wewnętrzny region „i” jest zalewany nośnikami ładunku z regionów „p” i „n”. Jego funkcję można porównać do napełniania wiadra wodą z otworem z boku. Gdy woda osiągnie poziom dziury, zacznie się wylewać. Podobnie dioda będzie przewodzić prąd, gdy zalane elektrony i dziury osiągną punkt równowagi, w którym liczba elektronów jest równa liczbie dziur w obszarze wewnętrznym.

Gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia , stężenie wstrzykniętego nośnika jest zwykle o kilka rzędów wielkości wyższe niż stężenie nośnika wewnętrznego. Z powodu tego wtrysku wysokiego poziomu, który z kolei jest spowodowany procesem wyczerpywania się , pole elektryczne rozciąga się głęboko (prawie na całej długości) w region. To pole elektryczne pomaga w przyspieszeniu transportu nośników ładunku z obszaru P do obszaru N, co skutkuje szybszym działaniem diody, czyniąc ją odpowiednim urządzeniem do pracy z dużymi częstotliwościami. ^{[ potrzebne źródło ]}

Charakterystyka

Dioda PIN jest zgodna ze standardowym równaniem diody dla sygnałów o niskiej częstotliwości. Przy wyższych częstotliwościach dioda wygląda jak niemal doskonały (bardzo liniowy, nawet przy dużych sygnałach) rezystor. Dioda PIN ma stosunkowo duży zmagazynowany ładunek dryfujący w grubym obszarze wewnętrznym . Przy wystarczająco niskiej częstotliwości zmagazynowany ładunek może zostać całkowicie zmieciony, a dioda zgaśnie. Przy wyższych częstotliwościach nie ma wystarczająco dużo czasu, aby usunąć ładunek z obszaru dryfu, więc dioda nigdy się nie wyłącza. Czas potrzebny do wymiatania zmagazynowanego ładunku ze złącza diodowego to czas jego odzyskiwania wstecznego , i jest stosunkowo długi w diodzie PIN. Dla danego materiału półprzewodnikowego, impedancji w stanie włączenia i minimalnej użytecznej częstotliwości RF czas powrotu do stanu wyjściowego jest stały. Ta właściwość może być wykorzystana; jedna odmiana diody PIN, dioda odzyskiwania stopniowego , wykorzystuje nagłą zmianę impedancji na końcu odzyskiwania wstecznego, aby stworzyć wąski przebieg impulsu przydatny do mnożenia częstotliwości z dużymi wielokrotnościami. ^{[ potrzebne źródło ]}

Rezystancja wysokiej częstotliwości jest odwrotnie proporcjonalna do prądu polaryzacji DC płynącego przez diodę. Dioda PIN, odpowiednio spolaryzowana, działa zatem jako rezystor zmienny. Ta rezystancja dla wysokich częstotliwości może zmieniać się w szerokim zakresie (w niektórych przypadkach od 0,1 Ω do 10 kΩ ; użyteczny zakres jest jednak mniejszy).

Szeroki obszar wewnętrzny oznacza również, że dioda będzie miała niską pojemność, gdy zostanie spolaryzowana zaporowo .

W diodzie PIN obszar wyczerpania występuje prawie całkowicie w obszarze wewnętrznym. Ten obszar zubożenia jest znacznie większy niż w diodzie PN i ma prawie stałą wielkość, niezależnie od polaryzacji wstecznej zastosowanej do diody. Zwiększa to objętość, w której pary elektron-dziura mogą być generowane przez padający foton. Niektóre fotodetektory , takie jak fotodiody PIN i fototranzystory (w których złączem baza-kolektor jest dioda PIN), wykorzystują w swojej konstrukcji złącze PIN.

Konstrukcja diody ma pewne kompromisy projektowe. Zwiększenie obszaru obszaru wewnętrznego zwiększa zmagazynowany ładunek, zmniejszając rezystancję RF w stanie włączenia, jednocześnie zwiększając pojemność polaryzacji wstecznej i zwiększając prąd napędu wymagany do usunięcia ładunku podczas ustalonego czasu przełączania, bez wpływu na minimalny czas wymagany do przemiatania opłata z rejonu I. Zwiększenie grubości obszaru wewnętrznego zwiększa całkowity zmagazynowany ładunek, zmniejsza minimalną częstotliwość RF i zmniejsza pojemność polaryzacji wstecznej, ale nie zmniejsza rezystancji RF polaryzacji do przodu i wydłuża minimalny czas wymagany do przemiatania ładunku dryfującego i przejście od niskiej do wysokiej rezystancji RF. Diody są sprzedawane w handlu w różnych geometriach dla określonych pasm RF i zastosowań.

Aplikacje

Diody PIN są przydatne jako przełączniki RF , tłumiki , fotodetektory i przesuwniki fazy.

Przełączniki RF i mikrofalowe

Przełącznik mikrofalowy RF z diodą PIN

Przy polaryzacji zerowej lub odwrotnej (stan „wyłączony”) dioda PIN ma niską pojemność . Niska pojemność nie przepuszcza dużo sygnału RF . Przy polaryzacji przewodzenia 1 mA (stan „włączony”) typowa dioda PIN będzie miała rezystancję RF około 1 oma , co czyni ją dobrym przewodnikiem RF. W konsekwencji dioda PIN stanowi dobry przełącznik RF.

Chociaż przekaźniki RF mogą być używane jako przełączniki, przełączają się stosunkowo wolno (rzędu dziesiątek milisekund ). Przełącznik diody PIN może przełączać się znacznie szybciej (np. 1 mikrosekunda ), chociaż przy niższych częstotliwościach RF nie ma sensu oczekiwać czasów przełączania tego samego rzędu wielkości, co okres RF.

Na przykład pojemność dyskretnej diody PIN w stanie „wyłączonym” może wynosić 1 pF . Przy 320 MHz reaktancja pojemnościowa 1 pF wynosi 497 omów :

\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} Z _ {\ operatorname {dioda } }&={\frac {1}{2\pi fC}}\\&={\frac {1}{2\pi (320\times 10^{6}\,\mathrm {Hz} )(1 \times 10^{-12}\,\mathrm {F} )}}\\&=497\,\Omega \end{aligned}}}

Jako element szeregowy w systemie 50 omów , tłumienie w stanie wyłączonym wynosi:

{\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} A & = 20 \ log _ {10} \ lewo ({\ Frac {Z _ {\ operatorname {obciążenie}}} {Z _ {\ operatorname {źródło}} + Z _ {\ operatorname {dioda} }+Z_{\mathrm {load} }}}\right)\\&=20\log _{10}\left({\frac {50\,\Omega }{50\,\Omega +497 \,\Omega +50\,\Omega }}\right)\\&={21.5}\,\mathrm {dB} \end{wyrównane}}}

To tłumienie może nie być wystarczające. W zastosowaniach, w których wymagana jest wyższa izolacja, można stosować zarówno elementy bocznikowe, jak i szeregowe, przy czym diody bocznikowe są spolaryzowane w sposób komplementarny do elementów szeregowych. Dodanie elementów bocznikowych skutecznie zmniejsza impedancję źródła i obciążenia, zmniejszając stosunek impedancji i zwiększając tłumienie w stanie wyłączonym. Jednak oprócz dodatkowej złożoności, tłumienie w stanie włączenia jest zwiększone ze względu na rezystancję szeregową elementu blokującego w stanie włączenia i pojemność elementów bocznikujących w stanie wyłączenia.

Przełączniki diodowe PIN służą nie tylko do wyboru sygnału, ale także doboru komponentów. Na przykład niektóre oscylatory o niskim poziomie szumów fazowych wykorzystują je do przełączania zakresu cewek indukcyjnych.

Zmienne tłumiki RF i mikrofalowe

Tłumik diodowy RF mikrofalowy PIN

Zmieniając prąd polaryzacji za pomocą diody PIN, można szybko zmienić jej rezystancję RF.

Przy wysokich częstotliwościach dioda PIN pojawia się jako rezystor, którego rezystancja jest odwrotną funkcją jej prądu przewodzenia. W związku z tym dioda PIN może być stosowana w niektórych projektach tłumików zmiennych jako modulatory amplitudy lub obwody poziomujące wyjścia.

Diody PIN mogą być używane na przykład jako rezystory mostkowe i bocznikowe w tłumiku mostkowym T. Innym powszechnym podejściem jest użycie diod PIN jako zakończeń podłączonych do portów 0 stopni i -90 stopni hybrydy kwadraturowej. Sygnał, który ma zostać stłumiony, jest podawany do portu wejściowego, a tłumiony wynik jest pobierany z portu izolacyjnego. Zaletą tego podejścia w porównaniu z podejściem mostkowym T i pi jest to, że (1) komplementarne układy polaryzacji diody PIN nie są potrzebne — to samo napięcie polaryzacji jest stosowane do obu diod — oraz (2) strata w tłumiku jest równa stratom odbiciowym zakończeń, które można zmieniać w bardzo szerokim zakresie.

Ograniczniki

Diody PIN są czasami projektowane do użytku jako urządzenia zabezpieczające wejście dla sond testowych o wysokiej częstotliwości i innych obwodów. Jeśli sygnał wejściowy jest mały, dioda PIN ma znikomy wpływ, prezentując jedynie niewielką pojemność pasożytniczą. W przeciwieństwie do diody prostowniczej, nie wykazuje ona nieliniowej rezystancji przy częstotliwościach RF, co powodowałoby powstanie harmonicznych i produktów intermodulacji. Jeśli sygnał jest duży, to kiedy dioda PIN zaczyna prostować sygnał, prąd przewodzenia ładuje obszar dryfu, a impedancja RF urządzenia jest rezystancją odwrotnie proporcjonalną do amplitudy sygnału. Ta zmieniająca się amplituda rezystancji sygnału może być wykorzystana do zakończenia pewnej z góry określonej części sygnału w sieci rezystancyjnej rozpraszającej energię lub do stworzenia niedopasowania impedancji, które odbija padający sygnał z powrotem w kierunku źródła. Ten ostatni może być połączony z izolatorem, urządzeniem zawierającym cyrkulator, który wykorzystuje stałe pole magnetyczne do przerwania wzajemności oraz obciążenie rezystancyjne do oddzielenia i zakończenia fali biegnącej wstecz. Gdy jest używany jako ogranicznik bocznikowy, dioda PIN ma niską impedancję w całym cyklu RF, w przeciwieństwie do sparowanych diod prostowniczych, które zmieniałyby się od wysokiej rezystancji do niskiej rezystancji podczas każdego cyklu RF, zaciskając przebieg i nie odzwierciedlając go tak całkowicie. Czas odzyskiwania jonizacji cząsteczek gazu, który pozwala na stworzenie urządzenia zabezpieczającego wejście iskiernika o wyższej mocy, ostatecznie opiera się na podobnej fizyce w gazie.

Fotodetektor i ogniwo fotowoltaiczne

Fotodiodę PIN wynalazł Jun-ichi Nishizawa i jego współpracownicy w 1950 roku.

Fotodiody PIN są stosowane w światłowodowych kartach sieciowych i przełącznikach. Jako fotodetektor dioda PIN jest spolaryzowana zaporowo. Przy odwrotnym polaryzacji dioda zwykle nie przewodzi (z wyjątkiem małego ciemnego prądu lub _prądu ). Kiedy foton o wystarczającej energii wchodzi w obszar zubożenia diody, tworzy parę elektron-dziura . Pole polaryzacji odwrotnej wymiata nośniki z regionu, tworząc prąd. Niektóre detektory mogą wykorzystywać mnożenie lawinowe .

Ten sam mechanizm dotyczy struktury PIN lub złącza pinowego ogniwa słonecznego . W tym przypadku przewaga zastosowania struktury PIN nad konwencjonalnym półprzewodnikowym złączem p–n jest lepszą odpowiedzią długofalową tego pierwszego. W przypadku naświetlania długimi falami fotony wnikają w głąb komórki. Ale tylko te pary elektron-dziura generowane w regionie wyczerpania i w jego pobliżu przyczyniają się do generowania prądu. Obszar wyczerpania struktury PIN rozciąga się w poprzek regionu wewnętrznego, głęboko w urządzeniu. Ta szersza szerokość wyczerpywania umożliwia generowanie pary elektron-dziura głęboko w urządzeniu, co zwiększa wydajność kwantową komórki.

Dostępne na rynku fotodiody PIN mają wydajność kwantową powyżej 80-90% w zakresie długości fal telekomunikacyjnych (~ 1500 nm) i są zwykle wykonane z germanu lub InGaAs . Charakteryzują się szybkim czasem reakcji (wyższym niż ich odpowiedniki pn), sięgającym kilkudziesięciu gigaherców, co czyni je idealnymi do szybkich aplikacji telekomunikacji optycznej. Podobnie krzemowe fotodiody pinowe mają jeszcze wyższą wydajność kwantową, ale mogą wykrywać tylko długości fal poniżej pasma wzbronionego krzemu, tj. ~1100 nm.

Zazwyczaj ogniwa cienkowarstwowe z amorficznego krzemu wykorzystują struktury PIN. Z drugiej strony CdTe wykorzystują strukturę NIP, odmianę struktury PIN. W strukturze NIP wewnętrzna warstwa CdTe jest umieszczona warstwowo przez CdS domieszkowany n i ZnTe domieszkowany p; fotony padają na warstwę n-domieszkowaną, w przeciwieństwie do diody PIN.

Fotodioda PIN może również wykrywać promieniowanie jonizujące , jeśli jest używana jako detektor półprzewodnikowy .

W nowoczesnej komunikacji światłowodowej prędkość nadajników i odbiorników optycznych jest jednym z najważniejszych parametrów. Ze względu na małą powierzchnię fotodiody zmniejsza się jej pasożytnicza (niepożądana) pojemność. Pasmo nowoczesnych fotodiod pinowych sięga zakresu fal mikrofalowych i milimetrowych.

Przykładowe fotodiody PIN

SFH203 i BPW34 to tanie diody PIN ogólnego przeznaczenia w 5-milimetrowych przezroczystych plastikowych obudowach o szerokości pasma powyżej 100 MHz.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Podręcznik projektantów diod PIN
Diody ogranicznika PIN w osłonach odbiornika , nota aplikacyjna Skyworks