PIN-диод - PIN diode

Слои PIN-диода

А PIN-диод это диод с широким, нелегированным собственный полупроводник регион между полупроводник p-типа и полупроводник n-типа область, край. Области p-типа и n-типа обычно сильно допированный потому что они используются для омические контакты.

Широкая собственная область контрастирует с обычным p – n диод. Широкая внутренняя область делает PIN-диод хуже выпрямитель (одна из типичных функций диода), но это делает его пригодным для аттенюаторов, быстрых переключателей, фотодетекторов и приложений силовой электроники высокого напряжения.

Операция

PIN-диод работает под так называемым инъекция высокого уровня. Другими словами, внутренняя область "i" заполнена носителями заряда из областей "p" и "n". Его функцию можно сравнить с наполнением ведра для воды с отверстием сбоку. Как только вода достигнет уровня отверстия, она начнет выливаться. Точно так же диод будет проводить ток, как только затопленные электроны и дырки достигнут точки равновесия, где количество электронов равно количеству дырок в собственной области. Когда диод смещен в прямом направлении, концентрация вводимого носителя обычно на несколько порядков выше, чем собственная концентрация носителя. Из-за этого высокого уровня впрыска, что, в свою очередь, связано с процесс истощения электрическое поле распространяется глубоко (почти на всю длину) в область. Это электрическое поле помогает ускорить перенос носителей заряда из области P в область N, что приводит к более быстрой работе диода, что делает его подходящим устройством для высокочастотной работы.

Характеристики

PIN-диод подчиняется стандартному уравнению диода для низкочастотных сигналов. На более высоких частотах диод выглядит почти идеальным (очень линейным даже для больших сигналов) резистором. P-I-N-диод имеет относительно большой накопленный заряд в толстом внутренняя область. На достаточно низкой частоте накопленный заряд может быть полностью развернут, и диод погаснет. На более высоких частотах не хватает времени, чтобы вывести заряд из области дрейфа, поэтому диод никогда не выключается. Время, необходимое для снятия накопленного заряда с диодного перехода, является его обратное время восстановления, и он относительно длинный в PIN-диоде. Для данного полупроводникового материала, импеданса в открытом состоянии и минимальной используемой радиочастоты время обратного восстановления фиксировано. Это свойство можно эксплуатировать; одна разновидность диодов P-I-N, ступенчатый диод восстановления, использует резкое изменение импеданса в конце обратного восстановления для создания узкой импульсной формы волны, полезной для умножение частоты с высокими кратными.

Высокочастотное сопротивление обратно пропорционально постоянному току смещения через диод. Таким образом, PIN-диод с соответствующим смещением действует как переменный резистор. Это высокочастотное сопротивление может изменяться в широком диапазоне (от 0,1 Ом к 10 кОм в некоторых случаях;^[1] хотя полезный диапазон меньше).

Широкая собственная область также означает, что диод будет иметь низкую емкость, когда обратный.

В PIN-диоде обедненная область почти полностью находится внутри собственной области. Эта область обеднения намного больше, чем в PN-диоде, и имеет почти постоянный размер, независимо от обратного смещения, приложенного к диоду. Это увеличивает объем, в котором электронно-дырочные пары могут быть созданы падающим фотоном. Немного фотоприемник Такие устройства, как PIN-фотодиоды и фототранзисторы (в которых переход база-коллектор представляет собой PIN-диод), используют PIN-переход в своей конструкции.

Конструкция диода имеет некоторые конструктивные недостатки. Увеличение площади внутренней области увеличивает ее накопленный заряд, уменьшая его ВЧ сопротивление в открытом состоянии, а также увеличивая емкость обратного смещения и увеличивая ток возбуждения, необходимый для удаления заряда в течение фиксированного времени переключения, без влияния на минимальное время, необходимое для развертки заряд от I региона. Увеличение толщины внутренней области увеличивает общий накопленный заряд, уменьшает минимальную ВЧ-частоту и уменьшает емкость обратного смещения, но не уменьшает ВЧ-сопротивление прямого смещения и увеличивает минимальное время, необходимое для развертки дрейфового заряда и переход от низкого радиочастотного сопротивления к высокому. Диоды продаются на коммерческой основе с различной геометрией для определенных радиочастотных диапазонов и областей применения.

Приложения

PIN-диоды полезны как РЧ переключатели, аттенюаторы, фотоприемники, и фазовращатели.^[2]

РЧ и микроволновые переключатели

РЧ микроволновый переключатель на PIN-диоде

При нулевом или обратном смещении (состояние "выключено") PIN-диод имеет низкий уровень емкость. Низкая емкость не выдержит большой RF сигнал. При прямом смещении 1 мА (состояние «включено») типичный PIN-диод будет иметь ВЧ-сопротивление около 1 ом, что делает его хорошим проводником РФ. Следовательно, PIN-диод является хорошим переключателем RF.

Хотя РЧ-реле можно использовать в качестве переключателей, они переключаются относительно медленно (порядка 10 с миллисекунд). Переключатель на ПИН-диоде может переключаться намного быстрее (например, 1 микросекунда), хотя на более низких РЧ частотах неразумно ожидать, что время переключения будет того же порядка величины, что и период РЧ.

Например, емкость дискретного PIN-диода в выключенном состоянии может быть 1 пФ. В 320 МГц, емкостное сопротивление 1 пФ является 497 Ом:

${ displaystyle Z_ {diode} = { frac {1} {2 pi fC}} = { frac {1} {2 cdot pi cdot 320 times 10 ^ {6} cdot 1 times 10 ^ {- 12}}} = {497} Omega}$

Как элемент серии в 50 Ом системы, затухание в закрытом состоянии в дБ составляет:

${ displaystyle A = 20 log _ {10} left ({ frac {Z_ {load}} {Z_ {source} + Z_ {diode} + Z_ {load}}} right) = 20 log _ { 10} left ({ frac {50} {50 + 497 + 50}} right) = {21,5} дБ}$

Это затухание может быть недостаточным. В приложениях, где требуется более высокая изоляция, могут использоваться как шунтирующие, так и последовательные элементы, при этом шунтирующие диоды смещены в дополнение к последовательным элементам. Добавление шунтирующих элементов эффективно снижает импедансы источника и нагрузки, уменьшая соотношение импедансов и увеличивая затухание в закрытом состоянии. Однако, помимо дополнительной сложности, затухание в открытом состоянии увеличивается из-за последовательного сопротивления блокирующего элемента в открытом состоянии и емкости шунтирующих элементов в закрытом состоянии.

Переключатели на PIN-диодах используются не только для выбора сигнала, но и для выбора компонентов. Например, некоторые низко-фазовый шум генераторы используют их для переключения диапазонов индуктивности.^[3]

ВЧ- и СВЧ-регулируемые аттенюаторы

ВЧ-СВЧ-аттенюатор на PIN-диоде

Изменяя ток смещения через PIN-диод, можно быстро изменить его ВЧ-сопротивление.

На высоких частотах PIN-диод выглядит как резистор, сопротивление которого является обратной функцией его прямого тока. Следовательно, PIN-диод может использоваться в некоторых конструкциях регулируемого аттенюатора в качестве модуляторов амплитуды или схем выравнивания выходного сигнала.

PIN-диоды могут использоваться, например, в качестве мостовых и шунтирующих резисторов в мостовом Т-аттенюаторе. Другой распространенный подход заключается в использовании PIN-диодов в качестве оконечных устройств, подключенных к портам 0 градусов и -90 градусов квадратурного гибрида. Ослабляемый сигнал подается на входной порт, а результат ослабления снимается с порта изоляции. Преимущества этого подхода по сравнению с мостовым T- и пи-подходом: (1) дополнительные приводы смещения PIN-диодов не требуются - одинаковое смещение применяется к обоим диодам, и (2) потери в аттенюаторе равны обратным потерям заделки, которые можно варьировать в очень широком диапазоне.

Ограничители

PIN-диоды иногда предназначены для использования в качестве входных защитных устройств для высокочастотных испытательных щупов и других схем. Если входной сигнал мал, PIN-диод оказывает незначительное влияние, представляя лишь небольшую паразитную емкость. В отличие от выпрямительного диода, он не имеет нелинейного сопротивления на радиочастотах, которое могло бы вызвать гармоники и интермодуляционные составляющие. Если сигнал большой, то, когда PIN-диод начинает выпрямлять сигнал, прямой ток заряжает область дрейфа, а ВЧ-импеданс устройства является сопротивлением, обратно пропорциональным амплитуде сигнала. Это сопротивление, изменяющееся по амплитуде сигнала, может использоваться для прекращения некоторой заранее определенной части сигнала в резистивной сети, рассеивающей энергию, или для создания рассогласования импеданса, которое отражает падающий сигнал обратно к источнику. Последний может быть объединен с изолятором, устройством, содержащим циркулятор, который использует постоянное магнитное поле для нарушения взаимности и резистивную нагрузку для разделения и прекращения обратной бегущей волны. При использовании в качестве шунтирующего ограничителя, PIN-диод имеет низкий импеданс в течение всего радиочастотного цикла, в отличие от парных выпрямительных диодов, которые будут колебаться от высокого сопротивления к низкому сопротивлению во время каждого радиочастотного цикла, ограничивая форму волны и не отражая ее полностью. Время восстановления ионизации молекул газа, которое позволяет создать более мощное устройство защиты входного искрового промежутка, в конечном итоге зависит от аналогичной физики газа.

Фотоприемник и фотоэлектрический элемент

Фотодиод PIN был изобретен Дзюн-ичи Нисидзава и его коллеги в 1950 году.^[4]

Фотодиоды с PIN-кодом используются в оптоволоконных сетевых картах и ​​коммутаторах. Как фотодетектор, PIN-диод имеет обратное смещение. При обратном смещении диод обычно не проводит (за исключением небольшого темнового тока или I_s утечка). Когда фотон достаточной энергии поступает в обедненную область диода, он создает электронно-дырочная пара. Поле обратного смещения вытесняет носители из области, создавая ток. Некоторые детекторы могут использовать лавинное умножение.

Тот же механизм применяется к структуре PIN, или p-i-n переход, из солнечная батарея. В этом случае преимущество использования PIN-структуры перед обычным полупроводником. p – n переход лучше длинноволновый отклик первого. При длинноволновом облучении фотоны проникают глубоко в клетку. Но только те электронно-дырочные пары, которые образуются в области обеднения и вблизи нее, вносят вклад в генерацию тока. Область истощения PIN-структуры простирается через внутреннюю область вглубь устройства. Эта более широкая обедненная ширина позволяет генерировать пары электрон-дырка глубоко внутри устройства, что увеличивает квантовая эффективность ячейки.

Имеющиеся в продаже PIN-фотодиоды имеют квантовую эффективность выше 80-90% в телекоммуникационном диапазоне длин волн (~ 1500 нм) и обычно изготавливаются из германий или InGaAs. У них быстрое время отклика (выше, чем у их p-n аналогов), достигающее нескольких десятков гигагерц,^[5] что делает их идеальными для высокоскоростных оптических телекоммуникационных приложений. Так же, кремний p-i-n фотодиоды^[6] имеют даже более высокую квантовую эффективность, но могут обнаруживать только длины волн ниже ширины запрещенной зоны кремния, то есть ~ 1100 нм.

Обычно аморфный кремний тонкопленочные клетки использовать структуры PIN. С другой стороны, CdTe ячейки используют структуру NIP, разновидность структуры PIN. В структуре NIP внутренний слой CdTe зажат между n-легированным CdS и p-легированным ZnTe; фотоны падают на n-легированный слой, в отличие от PIN-диода.

Фотодиод с PIN-кодом также может обнаруживать фотоны рентгеновского и гамма-излучения.

В современной волоконно-оптической связи скорость оптических передатчиков и приемников является одним из важнейших параметров. Штыревые фотодиоды имеют очень маленький размер (несколько микрометров в диаметре или с площадью поверхности, например, 16 * 16 мкм), поэтому они совместимы с сердцевиной мономодовых волоконно-оптических кабелей. Из-за малой поверхности фотодиода снижается его паразитная (нежелательная) емкость. Полоса пропускания современных pin-фотодиодов достигает диапазона микроволновых и миллиметровых волн. Систематические микроволновые измерения pin-фотодиода приведены в [7.]. Обратите внимание, что на этих очень высоких частотах диапазона ГГц соединительный провод или лента, соединяющая полупроводниковый стержневой диод с внешней электрической цепью, имеет паразитную индуктивность, которая также может уменьшить общую полосу пропускания фотоприемника.^[7]

Пример фотодиода с PIN-кодом

SFH203 и BPW43 - дешевые PIN-диоды общего назначения в прозрачных пластиковых корпусах 5 мм с полосой пропускания более 100 МГц. RONJA телекоммуникационные системы являются примером приложения.

Смотрите также

• Опто-волоконный кабель
• Узкое место в межсоединении
• Оптическая связь
• Оптическое соединение
• Параллельный оптический интерфейс
• Ступенчатый восстанавливающий диод

использованная литература

внешние ссылки

• Справочник разработчика PIN-диодов
• Диоды-ограничители PIN в протекторах приемника, Примечание по применению Skyworks