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 они используются для омических контактов .
Широкая собственная область отличается от обычного p–n-диода . Широкая собственная область делает PIN-диод плохим выпрямителем (одна из типичных функций диода), но делает его пригодным для аттенюаторов, быстрых переключателей, фотодетекторов и высоковольтных силовых электронных устройств.
PIN-фотодиод был изобретен Дзюн-Ичи Нисидзавой и его коллегами в 1950 году. Это полупроводниковый прибор.
PIN-диод работает в режиме, известном как высокоуровневая инжекция . Другими словами, внутренняя область «i» заполняется носителями заряда из областей «p» и «n». Его функцию можно сравнить с заполнением водой ведра с отверстием сбоку. Как только вода достигнет уровня отверстия, она начнет выливаться. Аналогично диод будет проводить ток, как только заполненные электроны и дырки достигнут точки равновесия, где число электронов будет равно числу дырок в собственной области.
Когда диод смещен в прямом направлении , инжектированная концентрация носителей обычно на несколько порядков выше собственной концентрации 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, делая его подходящим устройством для высокочастотной работы. [ необходима цитата ]
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 сохраненный заряд, дрейфующий в толстой собственной области . На достаточно низкой частоте сохраненный заряд может быть полностью выведен, и диод выключается. На более высоких частотах недостаточно времени, чтобы вывести заряд из области дрейфа, поэтому диод никогда не выключается. Время, необходимое для выведения сохраненного заряда из диодного перехода, является его временем обратного восстановления , и оно относительно велико в PIN-диоде. Для заданного полупроводникового материала, импеданса в открытом состоянии и минимальной используемой частоты РЧ время обратного восстановления фиксировано. Это свойство можно использовать; одна разновидность PIN-диода, диод со ступенчатым восстановлением , использует резкое изменение импеданса в конце обратного восстановления для создания узкой импульсной формы сигнала, полезной для умножения частоты с высокими кратностями. [ требуется цитата ]
Высокочастотное сопротивление обратно пропорционально постоянному току смещения через диод. PIN-диод, смещенный соответствующим образом, действует как переменный резистор. Это высокочастотное сопротивление может изменяться в широком диапазоне (от 0,1 Ом до 10 кОм в некоторых случаях; [1] полезный диапазон, однако, меньше).
Широкая собственная область также означает, что диод будет иметь низкую емкость при обратном смещении .
В PIN-диоде обедненная область существует почти полностью в пределах собственной области. Эта обедненная область намного больше, чем в PN-диоде, и почти постоянного размера, независимо от обратного смещения, приложенного к диоду. Это увеличивает объем, в котором пары электрон-дырка могут быть сгенерированы падающим фотоном. Некоторые фотодетекторные устройства, такие как PIN-фотодиоды и фототранзисторы (в которых переход база-коллектор является PIN-диодом), используют PIN-переход в своей конструкции.
Конструкция диода имеет некоторые конструктивные компромиссы. Увеличение площади поперечного сечения собственной области увеличивает ее сохраненный заряд, уменьшая ее сопротивление в открытом состоянии RF, 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 вытеснения заряда из области I. Увеличение толщины собственной области увеличивает общий сохраненный заряд, уменьшает минимальную частоту RF и уменьшает емкость обратного смещения, но не уменьшает сопротивление RF прямого смещения и увеличивает минимальное время, необходимое для вытеснения дрейфового заряда и перехода от низкого к высокому сопротивлению RF. Диоды продаются в различных геометриях для определенных диапазонов RF и применений.
PIN-диоды полезны в качестве радиочастотных переключателей , аттенюаторов , фотодетекторов и фазовращателей. [2]
При нулевом или обратном смещении (состояние «выключено») PIN-диод имеет низкую емкость . Низкая емкость не будет пропускать большую часть радиочастотного сигнала . При прямом смещении 1 мА (состояние «включено») типичный PIN-диод будет иметь сопротивление радиочастот около 1 Ом , что делает его хорошим проводником радиочастот. Следовательно, PIN-диод является хорошим радиочастотным переключателем.
Хотя радиочастотные реле могут использоваться в качестве переключателей, они переключаются относительно медленно (порядка десятков миллисекунд ). PIN-диодный переключатель может переключаться гораздо быстрее (например, 1 микросекунду ), хотя на более низких частотах радиочастот неразумно ожидать, что время переключения будет того же порядка, что и период радиочастот.
Например, емкость дискретного PIN-диода в состоянии «выключено» может быть 1 пФ . На частоте 320 МГц емкостное сопротивление 1 пФ составляет 497 Ом :
В качестве последовательного элемента в системе 50 Ом затухание в выключенном 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 комплементарным образом к последовательным элементам. Добавление шунтирующих элементов эффективно снижает импедансы источника и нагрузки, уменьшая отношение импедансов и увеличивая затухание в выключенном состоянии. Однако, в дополнение к дополнительной сложности, затухание в выключенном состоянии увеличивается из-за последовательного сопротивления блокирующего элемента в включенном состоянии и емкости шунтирующих элементов в выключенном состоянии.
PIN-диодные переключатели используются не только для выбора сигнала, но и для выбора компонента. Например, некоторые генераторы с низким фазовым шумом используют их для переключения диапазонов индуктивностей. [3]
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 переменных 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 заключается в использовании PIN-диодов в качестве оконечностей, подключенных к портам 0 градусов и -90 градусов квадратурного гибрида. Сигнал, который необходимо ослабить, подается на входной порт, а ослабленный результат берется с изолирующего порта. Преимущества этого подхода по сравнению с мостовыми Т- и пи-подходами заключаются в следующем: (1) не требуются дополнительные приводы смещения PIN-диодов — к обоим диодам применяется одинаковое смещение — и (2) потери в аттенюаторе равны обратным потерям оконечностей, которые можно изменять в очень широком диапазоне.
PIN-диоды иногда разрабатываются для использования в качестве входных защитных устройств для высокочастотных тестовых зондов и других схем. Если входной сигнал мал, PIN-диод оказывает незначительное влияние, представляя лишь небольшую паразитную емкость. В отличие от выпрямительного диода, он не представляет нелинейного сопротивления на частотах РЧ, что могло бы привести к появлению гармоник и продуктов интермодуляции. Если сигнал велик, то, когда PIN-диод начинает выпрямлять сигнал, прямой ток заряжает область дрейфа, а сопротивление РЧ устройства обратно пропорционально амплитуде сигнала. Это изменяющееся сопротивление амплитуды сигнала может использоваться для прекращения некоторой заранее определенной части сигнала в резистивной сети, рассеивающей энергию, или для создания несоответствия импеданса, которое отражает падающий сигнал обратно к источнику. Последнее может быть объединено с изолятором, устройством, содержащим циркулятор, который использует постоянное магнитное поле для разрыва взаимности и резистивную нагрузку для разделения и прекращения обратной бегущей волны. При использовании в качестве шунтирующего ограничителя импеданс PIN-диода низок на протяжении всего цикла РЧ, в отличие от парных выпрямительных диодов, которые будут колебаться от высокого сопротивления к низкому сопротивлению в течение каждого цикла РЧ, фиксируя форму волны и не отражая ее полностью. Время восстановления ионизации молекул газа, которое позволяет создать устройство защиты входа искрового промежутка большей мощности, в конечном счете опирается на схожую физику в газе.
PIN-фотодиод был изобретен Дзюнъити Нисидзавой и его коллегами в 1950 году. [4]
PIN-фотодиоды используются в оптоволоконных сетевых картах и коммутаторах. В качестве фотодетектора PIN-диод смещен в обратном направлении. При обратном смещении диод обычно не проводит (за исключением небольшого темнового тока или утечки I s ). Когда фотон достаточной энергии попадает в обедненную область диода, он создает пару электрон-дырка . Поле обратного смещения выметает носители из области, создавая ток. Некоторые детекторы могут использовать лавинное умножение .
Тот же механизм применим к PIN-структуре или контактному соединению солнечного элемента . В этом случае преимущество использования PIN-структуры по сравнению с обычным полупроводниковым p–n-переходом заключается в лучшем длинноволновом отклике первой. В случае длинноволнового облучения фотоны проникают глубоко в ячейку. Но только те электронно-дырочные пары, которые генерируются в области обеднения и вблизи нее, способствуют генерации тока. Область обеднения PIN-структуры простирается через собственную область, глубоко в устройство. Эта более широкая ширина обеднения позволяет генерировать электронно-дырочные пары глубоко внутри устройства, что увеличивает квантовую эффективность ячейки.
Коммерчески доступные PIN-фотодиоды имеют квантовую эффективность выше 80-90% в телекоммуникационном диапазоне длин волн (~1500 нм) и обычно изготавливаются из германия или InGaAs . Они характеризуются быстрым временем отклика (выше, чем у их pn-аналогов), достигающим нескольких десятков гигагерц, [5] что делает их идеальными для высокоскоростных оптических телекоммуникационных приложений. Аналогично, кремниевые pin-фотодиоды [6] имеют еще более высокую квантовую эффективность, но могут обнаруживать только длины волн ниже запрещенной зоны кремния, т. е. ~1100 нм.
Обычно тонкопленочные ячейки из аморфного кремния используют структуры PIN. 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.
PIN-фотодиод также может обнаруживать ионизирующее излучение , если он используется в качестве полупроводникового детектора .
В современных волоконно-оптических коммуникациях скорость оптических передатчиков и приемников является одним из важнейших параметров. Благодаря малой поверхности фотодиода снижается его паразитная (нежелательная) емкость. Полоса пропускания современных штыревых фотодиодов достигает диапазона СВЧ и миллиметровых волн. [7]
SFH203 и BPW34 — недорогие PIN-диоды общего назначения в прозрачных пластиковых корпусах толщиной 5 мм с полосой пропускания более 100 МГц.
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )