PIN диод - PIN diode

Слои PIN-диода

PIN - диод представляет собой диод с широким, нелегированной внутренними полупроводниковой областью между полупроводником р-типа и полупроводником п-типом областью. Области p-типа и n-типа обычно сильно легированы, потому что они используются для омических контактов .

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

Фотодиод PIN был изобретен Джун-Ичи Нисидзава и его коллегами в 1950 году. Это полупроводниковый прибор.

Операция

PIN-диод работает при так называемой инжекции 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, когда затопленные электроны и дырки достигнут точки равновесия, где количество электронов равно количеству дырок в собственной области. Когда диод смещен в прямом направлении , концентрация введенных носителей обычно на несколько порядков выше, чем собственная концентрация носителей. Из-за этой инжекции высокого уровня, которая, в свою очередь, происходит из-за процесса 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. PIN-диод имеет относительно большой накопленный заряд в толстой внутренней области . 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 временем его обратного восстановления , и оно относительно велико 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 PIN-диодов, ступенчатый восстанавливающий диод , использует резкое изменение импеданса в конце обратного восстановления для создания узкой импульсной формы волны, полезной для умножения 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 ( в некоторых случаях от 0,1 Ом до 10 кОм ; однако полезный диапазон меньше).

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

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. Некоторые фотодетекторные устройства, такие как фотодиоды с PIN-кодом и фототранзисторы (в которых переход база-коллектор представляет собой PIN-диод), используют в своей конструкции переход PIN.

Конструкция диода имеет некоторые конструктивные недостатки. Увеличение площади собственной области увеличивает ее накопленный заряд, уменьшая ее 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, снижает 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 в различных геометриях для определенных радиочастотных диапазонов и областей применения.

Приложения

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

ВЧ и СВЧ переключатели

Радиочастотный переключатель на PIN-диоде

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-сигнала. Следовательно, PIN-диод является хорошим переключателем RF.

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

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

Для последовательного элемента в системе с сопротивлением 50 Ом затухание в закрытом состоянии равно:

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 генераторы с низким фазовым шумом используют их для переключения диапазонов индуктивности.

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 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 градусов и -90 градусов квадратурного гибрида. Подлежащий ослаблению сигнал подается на входной порт, а результат ослабления снимается с порта изоляции. Преимущества этого подхода по сравнению с мостовыми T и пи подходами: (1) дополнительные приводы смещения PIN-диодов не нужны - 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 цепей. Если входной сигнал слабый, PIN-диод оказывает незначительное влияние, представляя лишь небольшую паразитную емкость. В отличие от выпрямительного диода, он не имеет нелинейного сопротивления на ВЧ-частотах, 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, изменяющее амплитуду сигнала, можно использовать для прекращения некоторой заранее определенной части сигнала в резистивной сети, рассеивающей энергию, или для создания несоответствия 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 основывается на аналогичных физических характеристиках газа.

Фотоприемник и фотоэлектрический элемент

Фотодиод PIN был изобретен Дзюнъити Нисидзава и его коллегами в 1950 году.

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 утечки тока I s ). Когда фотон с достаточной энергией попадает в обедненную область диода, он создает электронно-дырочную пару . Поле обратного смещения вытесняет носители из области, создавая ток. Некоторые детекторы могут использовать лавинное умножение .

Же механизм применяется к структуре PIN, или контактной развязке , из солнечного элемента . В этом случае преимущество использования PIN-структуры перед обычным полупроводниковым p − n-переходом заключается в лучшем длинноволновом отклике 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 большая ширина обеднения позволяет генерировать пары электрон-дырка глубоко внутри устройства, что увеличивает квантовую эффективность ячейки.

Имеющиеся в продаже PIN-фотодиоды имеют квантовую эффективность выше 80-90% в телекоммуникационном диапазоне длин волн (~ 1500 нм) и обычно изготавливаются из германия или InGaAs . Они отличаются малым временем отклика (выше, чем их аналоги pn), составляющим несколько десятков гигагерц, что делает их идеальными для высокоскоростных оптических телекоммуникационных приложений. Точно так же кремниевые штыревые фотодиоды имеют даже более высокую квантовую эффективность, но могут обнаруживать только длины волн ниже запрещенной зоны кремния, то есть ~ 1100 нм.

Обычно в тонкопленочных элементах из аморфного кремния используются PIN-структуры. С другой стороны, ячейки CdTe используют структуру NIP, разновидность структуры PIN. В структуре NIP собственный 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. Из-за малой поверхности фотодиода снижается его паразитная (нежелательная) емкость. Полоса пропускания современных pin-фотодиодов достигает диапазона микроволновых и миллиметровых волн.

Пример фотодиода с PIN-кодом

SFH203 и BPW34 - дешевые PIN-диоды общего назначения в прозрачных пластиковых корпусах 5 мм с полосой пропускания более 100 МГц. Телекоммуникационные системы RONJA являются примером применения.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки