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 высоковольтной силовой электроники.
Операция [ править ]
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 этого высокого уровня закачки, что, в свою очередь, связано с процессом истощенияэлектрическое 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 работы на высоких частотах.
Характеристики [ править ]
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 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 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 ; [1] 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 переход PIN в своей конструкции.
Конструкция диода имеет некоторые конструктивные недостатки. Увеличение площади собственной 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, 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 [ править ]
PIN-диоды полезны в качестве радиочастотных переключателей , аттенюаторов , фотоприемников и фазовращателей. [2]
РЧ и микроволновые переключатели [ править ]
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. [3]
ВЧ и СВЧ регулируемые аттенюаторы [ править ]
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. Подлежащий ослаблению сигнал подается на входной порт, а результат ослабления снимается с порта изоляции. Преимущества этого подхода по сравнению с мостовым T- и пи-подходом заключаются в том, что (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 [ править ]
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 радиочастотах, которое могло бы вызвать гармоники и интермодуляционные составляющие. Если сигнал большой, то, когда PIN-диод начинает выпрямлять сигнал, прямой ток заряжает область дрейфа, и 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 до низкого сопротивления 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.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.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 [ править ]
Фотодиод PIN был изобретен Дзюнъити Нисидзава и его коллегами 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 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 более широкая 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 (более высоким, чем их аналоги на основе pn), составляющим несколько десятков гигагерц [5], что делает их идеальными для высокоскоростных оптических телекоммуникационных приложений. Точно так же кремниевые штыревые фотодиоды [6] 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. [7]
Пример фотодиода с PIN-кодом [ править ]
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.
См. Также [ править ]
- Опто-волоконный кабель
- Узкое место в межсоединении
- Оптическая связь
- Оптическое соединение
- Параллельный оптический интерфейс
- Ступенчатый восстанавливающий диод
Ссылки [ править ]
- ^ Доэрти, Билл, MicroNotes: Основы PIN-диодов (PDF) , Watertown, MA: Microsemi Corp., MicroNote Series 701
- ^ https://srmsc.org/pdf/004430p0.pdf (версия расшифровки: http://www.alternatewars.com/WW3/WW3_Documents/ABM_Bell/ABM_Ch8.htm )
- ^ «Микроволновые переключатели: указания по применению» . Херли Дженерал Микроволновая печь . Архивировано 30 октября 2013 года.CS1 maint: unfit URL (link)
- ^ Dummer, GWA (22 октября 2013). Электронные изобретения и открытия: электроника от зарождения до наших дней . Эльзевир. ISBN 9781483145211. Проверено 14 апреля 2018 г. - через Google Книги.
- ^ "Discovery Semiconductor 40G InGaAs фотодетекторные модули" .
- ^ "Si фотодиоды | Hamamatsu Photonics" . hamamatsu.com . Проверено 26 марта 2021 .
- ^ Аттил Хильт, Габор JARO, Аттила Zólomy, Беатрис Cabon, Тибор Berceli, Тамаш Marozsák: "Микроволновая печь Характеристика High-Speed выводы Фотодиодов", Proc. 9-й конференции по микроволновой технике COMITE'97, стр. 21-24, Пардубице, Чешская Республика, 16-17 октября 1997 г.
Внешние ссылки [ править ]
- Справочник разработчика PIN-диодов
- Диоды-ограничители PIN в защитных устройствах приемника , примечания по применению Skyworks
