PIN-диод

PIN-диод

Слои PIN-диода
Тип	Полупроводник
Изобретенный	1950
Электронный символ
На схеме диод может обозначаться буквами «ПИН».

PIN -диод — это диод с широкой нелегированной собственной полупроводниковой областью между полупроводником p-типа и полупроводниковой областью n-типа . Области p-типа и n-типа обычно сильно легированы , поскольку используются для омических контактов .

Широкая собственная область отличается от обычного p – n-диода . Широкая внутренняя область делает PIN-диод худшим выпрямителем (одна из типичных функций диода), но делает его подходящим для аттенюаторов, быстрых переключателей, фотодетекторов и приложений силовой электроники высокого напряжения.

PIN-фотодиод был изобретен Дзюн-Ичи Нисидзавой и его коллегами в 1950 году. Это полупроводниковый прибор.

Операция

PIN-диод работает в режиме так называемой инжекции высокого уровня . Другими словами, собственная область «i» заполнена носителями заряда из областей «p» и «n». Его функцию можно сравнить с наполнением ведра водой с отверстием сбоку. Как только вода достигнет уровня ямы, 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 во внутренней области.

Когда диод смещен в прямом направлении , концентрация инжектированных носителей обычно на несколько порядков превышает концентрацию собственных носителей. Из-за этой инжекции высокого уровня, которая, в свою очередь, обусловлена ​​процессом истощения , электрическое поле распространяется глубоко (почти на всю длину) в область. Это электрическое поле помогает ускорить транспорт носителей заряда из области P в область N, что приводит к более быстрой работе диода, что делает его подходящим устройством для работы на высоких частотах.

Характеристики

PIN-диод подчиняется стандартному уравнению диода для низкочастотных сигналов. На более высоких частотах диод выглядит как почти идеальный (очень линейный, даже для больших сигналов) резистор. PIN-диод имеет относительно большой запас заряда, дрейфующий в толстой внутренней области . При достаточно низкой частоте накопленный заряд может полностью размахиваться и диод отключается. На более высоких частотах не хватает времени на выметание заряда из области дрейфа, поэтому диод никогда не выключается. Время, необходимое для вытеснения накопленного заряда из диодного перехода, представляет собой время его обратного восстановления , и в PIN-диоде оно относительно велико. Для данного полупроводникового материала, импеданса в открытом состоянии и минимальной используемой радиочастоты время обратного восстановления фиксировано. Это свойство можно использовать; Одна из разновидностей PIN-диода, диод с ступенчатым восстановлением , использует резкое изменение импеданса в конце обратного восстановления для создания узкой импульсной формы, полезной для умножения частоты с высокими кратностями.

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 широких пределах ( от 0,1 Ом до 10 кОм ; в некоторых случаях хотя полезный диапазон меньше).

Широкая внутренняя область также означает, что диод будет иметь низкую емкость при обратном смещении .

В PIN-диоде область обеднения 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 пары электрон-дырка могут быть созданы падающим фотоном. Некоторые фотоприемные устройства, например PIN-фотодиоды и фототранзисторы (у которых переход база-коллектор представляет собой PIN-диод), используют в своей конструкции PIN-переход.

Конструкция диода имеет некоторые конструктивные компромиссы. Увеличение площади поперечного сечения собственной области увеличивает ее накопленный заряд, уменьшая ее радиочастотное сопротивление во включенном 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. требуется смести заряд из I области. Увеличение толщины внутренней области увеличивает общий накопленный заряд, уменьшает минимальную радиочастоту и уменьшает емкость обратного смещения, но не уменьшает радиочастотное сопротивление прямого смещения и увеличивает минимальное время, необходимое для развертки дрейфового заряда и переход от низкого к высокому ВЧ-сопротивлению. На коммерческой основе продаются диоды различной геометрии для конкретных радиочастотных диапазонов и применений.

Приложения

PIN-диоды используются в качестве радиочастотных переключателей , аттенюаторов , фотодетекторов и фазовращателей.

Радиочастотные и микроволновые переключатели

Радиочастотный микроволновый переключатель с PIN-диодом

При нулевом или обратном смещении (состояние «выключено») PIN-диод имеет низкую емкость . Низкая емкость не пропускает большую часть радиочастотного сигнала . При прямом смещении 1 мА (состояние «включено») типичный PIN-диод будет иметь ВЧ-сопротивление около 1 Ом , что делает его хорошим проводником ВЧ-излучения. Следовательно, PIN-диод является хорошим радиочастотным переключателем.

Хотя радиочастотные реле можно использовать в качестве переключателей, они переключаются относительно медленно (порядка десятков миллисекунд ). Переключатель с PIN-диодом может переключаться гораздо быстрее (например, за 1 микросекунду ), хотя на более низких радиочастотах неразумно ожидать, что время переключения будет того же порядка, что и период радиочастоты.

Например, емкость дискретного PIN-диода в выключенном состоянии может составлять 1 пФ . На частоте 320 МГц емкостное реактивное сопротивление 1 пФ составляет 497 Ом :

${\begin{aligned}Z_{\mathrm {diode} }&={\frac {1}{2\pi fC}}\\&={\frac {1}{2\pi (320\times 10^{6}\,\mathrm {Hz} )(1\times 10^{-12}\,\mathrm {F} )}}\\&=497\,\Omega \end{aligned}}$

Для последовательного элемента в системе с сопротивлением 50 Ом затухание в выключенном состоянии составляет:

${\begin{aligned}A&=20\log _{10}\left({\frac {Z_{\mathrm {load} }+Z_{\mathrm {source} }}{Z_{\mathrm {source} }+Z_{\mathrm {diode} }+Z_{\mathrm {load} }}}\right)\\&=20\log _{10}\left({\frac {50\,\Omega +50\,\Omega }{50\,\Omega +497\,\Omega +50\,\Omega }}\right)\\&={15.52}\,\mathrm {dB} \end{aligned}}$

Это ослабление может оказаться недостаточным. В приложениях, где необходима более высокая изоляция, можно использовать как шунтирующие, так и последовательные элементы, при этом шунтирующие диоды смещаются дополняюще к последовательным элементам. Добавление шунтирующих элементов эффективно снижает импедансы источника и нагрузки, уменьшая коэффициент импеданса и увеличивая затухание в выключенном состоянии. Однако, помимо дополнительной сложности, затухание во включенном состоянии увеличивается из-за последовательного сопротивления блокирующего элемента во включенном состоянии и емкости шунтирующих элементов в выключенном состоянии.

Переключатели с PIN-диодами используются не только для выбора сигнала, но и для выбора компонентов. Например, некоторые генераторы с низким фазовым шумом используют их для переключения диапазонов дросселей.

ВЧ и

РЧ СВЧ PIN-диодный аттенюатор

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 регулируемых аттенюаторов в качестве амплитудных модуляторов или схем выравнивания выходного сигнала.

PIN-диоды могут использоваться, например, в качестве мостовых и шунтирующих резисторов в мостовом Т-аттенюаторе. Другой распространенный подход — использовать PIN-диоды в качестве оконечных устройств, подключенных к портам 0 и -90 градусов квадратурного гибрида. Сигнал, подлежащий ослаблению, подается на входной порт, а ослабленный результат берется из порта изоляции. Преимущества этого подхода по сравнению с мостовыми Т- и пи-подходами заключаются в том, что (1) не требуются дополнительные драйверы смещения PIN-диодов — к обоим диодам применяется одно и то же смещение, и (2) потери в аттенюаторе равны обратным потерям окончаний, которые могут варьироваться в очень широком диапазоне.

Ограничители

PIN-диоды иногда предназначены для использования в качестве входных защитных устройств для высокочастотных тестовых пробников и других цепей. 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 привести к возникновению гармоник и продуктов интермодуляции. Если сигнал большой, то когда PIN-диод начинает выпрямлять сигнал, прямой ток заряжает область дрейфа и ВЧ-сопротивление устройства представляет собой сопротивление, обратно пропорциональное амплитуде сигнала. Это сопротивление, изменяющее амплитуду сигнала, может использоваться для прекращения некоторой заранее определенной части сигнала в резистивной сети, рассеивающей энергию, или для создания рассогласования импедансов, которое отражает падающий сигнал обратно к источнику. Последний может быть объединен с изолятором, устройством, содержащим циркуляционный насос, который использует постоянное магнитное поле для нарушения взаимности и резистивную нагрузку для разделения и прекращения обратной бегущей волны. При использовании в качестве шунтового ограничителя PIN-диод имеет низкий импеданс на протяжении всего ВЧ-цикла, в отличие от парных выпрямительных диодов, которые меняют свое сопротивление от высокого сопротивления к низкому во время каждого ВЧ-цикла, фиксируя форму сигнала и не отражая его полностью. Время восстановления ионизации молекул газа, которое позволяет создать более мощное входное защитное устройство искрового разрядника, в конечном итоге зависит от аналогичной физики в газе.

Фотодетектор и фотоэлектрический элемент

PIN-фотодиод был изобретен Дзюнъити Нисидзавой и его коллегами в 1950 году.

PIN-фотодиоды используются в оптоволоконных сетевых картах и ​​коммутаторах. PIN-диод является фотодетектором с обратным смещением. При обратном смещении диод обычно не проводит ток (за исключением небольшого темнового тока или утечки I ₎ . Когда фотон достаточной энергии попадает в обедненную область диода, он создает пару электрон-дырка . Поле обратного смещения вытесняет носители из области, создавая ток. Некоторые детекторы могут использовать лавинное умножение .

Тот же механизм применим к PIN-структуре или штыревому переходу элемента солнечного . В этом случае преимуществом использования PIN-структуры перед обычным полупроводниковым p-n-переходом является лучший длинноволновый отклик первой. При длинноволновом облучении фотоны проникают глубоко в клетку. Но только те электронно-дырочные пары, генерируемые в области истощения и вблизи нее, способствуют генерации тока. Область истощения PIN-структуры простирается через внутреннюю область глубоко в устройство. Эта более широкая ширина истощения позволяет генерировать электронно-дырочные пары глубоко внутри устройства, что увеличивает квантовую эффективность ячейки.

Коммерчески доступные PIN-фотодиоды имеют квантовую эффективность выше 80-90% в диапазоне длин волн телекоммуникаций (~ 1500 нм) и обычно изготавливаются из германия или InGaAs . Они имеют быстрое время отклика (выше, чем у их аналогов PN), достигающее нескольких десятков гигагерц. что делает их идеальными для высокоскоростных оптических телекоммуникационных приложений. Аналогично кремниевые штыревые фотодиоды имеют еще более высокую квантовую эффективность, но могут обнаруживать только длины волн ниже запрещенной зоны кремния, то есть ~ 1100 нм.

Обычно из аморфного кремния в тонкопленочных ячейках используются PIN-структуры. С другой стороны, ячейки CdTe используют структуру NIP, разновидность структуры PIN. В структуре NIP собственный слой CdTe окружен n-легированным CdS и p-легированным ZnTe; фотоны падают на n-легированный слой, в отличие от PIN-диода.

PIN-фотодиод также может обнаруживать ионизирующее излучение , если он используется в качестве полупроводникового детектора .

В современной волоконно-оптической связи скорость оптических передатчиков и приемников является одним из важнейших параметров. За счет малой поверхности фотодиода снижается его паразитная (нежелательная) емкость. Полоса пропускания современных штыревых фотодиодов достигает диапазона микроволновых и миллиметровых волн.

Пример PIN-фотодиодов

SFH203 и BPW34 — дешевые PIN-диоды общего назначения в прозрачном пластиковом корпусе диаметром 5 мм и полосой пропускания более 100 МГц.

См. также

• Волоконно-оптический кабель
• Узкое место межсоединения
• Оптическая связь
• Оптическое соединение
• Параллельный оптический интерфейс
• Ступенчатый восстанавливающий диод

Внешние ссылки

• Справочник проектировщиков PIN-диодов
• Диоды-ограничители PIN-кода в защитных устройствах приемника , рекомендации по применению Skyworks