PIN dióda - PIN diode
A PIN-dióda olyan dióda , amelynek széles, le nem nyitott belső félvezető területe van egy p-típusú félvezető és egy n-típusú félvezető- régió között. A p-típusú és n-típusú régiók jellemzően erősen adalékoltak, mivel ohmos kontaktusokra használják őket .
A széles belső régió ellentétben van egy közönséges p – n diódával . A széles belső régió miatt a PIN-dióda alacsonyabb egyenirányítóvá válik (a dióda egyik jellemző funkciója), de alkalmassá teszi csillapítókra, gyors kapcsolókra, fotodetektorokra és nagyfeszültségű áramelektronikai alkalmazásokra.
A PIN fotodiódát Jun-Ichi Nishizawa és munkatársai találták ki 1950-ben. Ez egy félvezető eszköz.
Művelet
A PIN-dióda úgynevezett magas szintű injektálás alatt működik . Más szavakkal, a belső "i" régiót elárasztják a "p" és "n" régiók töltéshordozói. Funkciója ahhoz hasonlítható, hogy az oldalon lyukkal ellátott vödör megtöltött. Amint a víz eléri a lyuk szintjét, elkezd folyni. Hasonlóképpen, a dióda áramot vezet, amint az elárasztott elektronok és lyukak elérik az egyensúlyi pontot, ahol az elektronok száma megegyezik a belső régióban lévő furatok számával. Ha a dióda előre van előfeszítve , akkor az injektált vivőanyag-koncentráció általában több nagyságrenddel magasabb, mint a belső vivőanyag-koncentráció. Ennek a magas szintű befecskendezésnek köszönhető, amely viszont a kimerülési folyamatnak köszönhető , az elektromos mező mélyen (szinte teljes hosszában) kiterjed a régióba. Ez az elektromos tér elősegíti a töltéshordozók P-től N-régióig történő szállításának felgyorsítását, ami a dióda gyorsabb működését eredményezi, így megfelelő eszközzé teszi a nagyfrekvenciás működéshez.
Jellemzők
A PIN dióda betartja az alacsony frekvenciájú jelek standard diódaegyenletét. Magasabb frekvenciákon a dióda szinte tökéletes (nagyon lineáris, még nagy jelek esetén is) ellenállásnak tűnik. A PIN dióda viszonylag nagy tárolt töltéshordozással rendelkezik egy vastag belső régióban . Megfelelően alacsony frekvencián a tárolt töltet teljesen felpörgethető, és a dióda kikapcsol. Magasabb frekvenciákon nincs elegendő idő a töltés elsodródására a sodrási területről, így a dióda soha nem kapcsol ki. A tárolt töltés diódacsomópontból történő eltávolításához a fordított helyreállítási idő szükséges , és egy PIN-diódában viszonylag hosszú. Egy adott félvezető anyag, az állapot impedanciája és a minimálisan használható RF frekvencia esetén a fordított helyreállítási idő rögzített. Ez a tulajdonság kihasználható; a PIN-dióda egyik változata, a lépés-helyreállító dióda a fordított helyreállítás végén fellépő hirtelen impedancia-változást használja ki, hogy létrehozzon egy keskeny impulzus-hullámformát, amely hasznos a magas sokszorozatokkal történő frekvenciaszorzáshoz .
A nagyfrekvenciás ellenállás fordítottan arányos a diódán átmenő egyenfeszültséggel. Megfelelően előfeszített PIN-dióda ezért változó ellenállásként működik. Ez a nagyfrekvenciás ellenállás széles tartományban változhat ( 0,1 Ω és 10 kΩ között; bizonyos esetekben a hasznos tartomány kisebb).
A széles belső régió azt is jelenti, hogy a dióda alacsony kapacitású lesz fordított előfeszítéssel .
PIN-diódában a kimerülési régió szinte teljesen létezik a belső régióban. Ez a kimerülési régió sokkal nagyobb, mint egy PN diódában, és szinte állandó méretű, függetlenül a diódára alkalmazott fordított előfeszítéstől. Ez megnöveli azt a térfogatot, ahol egy beeső foton elektron-lyuk párokat generálhat. Egyes fotodetektoros eszközök, például a PIN-fotodiódák és a fototranzisztorok (amelyekben az alap-kollektor csatlakozás PIN-dióda), a PIN-csatlakozást használják felépítésük során.
A dióda kialakításnak van néhány kompromisszuma a dizájnban. A belső régió területének növelése növeli a tárolt töltöttségét, csökkentve az RF on-state ellenállását, ugyanakkor növeli a fordított előfeszítési kapacitást és növeli a töltés eltávolításához szükséges meghajtóáramot egy fix kapcsolási idő alatt, nem befolyásolja a söpöréshez szükséges minimális időt. az I. régió töltése. A belső régió vastagságának növelése megnöveli a teljes tárolt töltést, csökkenti a minimális RF frekvenciát és csökkenti a fordított előfeszítési kapacitást, de nem csökkenti az előre torzított RF ellenállást, és növeli a sodródási töltés söpöréséhez szükséges minimális időt és az alacsony és magas RF ellenállás közötti átmenet. A diódákat kereskedelmi forgalomban, különböző geometriákban, meghatározott rádiófrekvenciás sávokhoz és felhasználásokhoz adják.
Alkalmazások
A PIN diódák hasznosak RF kapcsolóként , csillapítóként , fotodetektorokként és fázistraktorként.
RF és mikrohullámú kapcsolók
Nulla vagy fordított előfeszítés ("kikapcsolt" állapot) esetén a PIN dióda alacsony kapacitású . Az alacsony kapacitás nem fogja túltenni az RF jelet . 1 mA előrefeszültség ("be" állapot) alatt egy tipikus PIN-dióda RF ellenállása körülbelül 1 ohm , ami jó RF-vezetővé teszi. Következésképpen a PIN dióda jó RF kapcsolót tesz lehetővé.
Bár az RF relék kapcsolóként használhatók, viszonylag lassan kapcsolnak ( 10 másodperc nagyságrendben ). A PIN dióda kapcsoló sokkal gyorsabban tud váltani (pl. 1 mikroszekundum ), bár alacsonyabb RF frekvenciák mellett nem ésszerű elvárni az RF periódussal azonos nagyságrendű kapcsolási időket.
Például egy "off" állapotú diszkrét PIN-dióda kapacitása 1 pF lehet . A 320 MHz-es , a kapacitív reaktancia 1 pF van 497 ohm :
Sorozatelemként egy 50 ohmos rendszerben az off-state csillapítás a következő:
Ez a csillapítás nem biztos, hogy megfelelő. Azokban az alkalmazásokban, ahol nagyobb szigetelésre van szükség, mind a sönt, mind a soros elemek alkalmazhatók, a sönt diódák a sorozat elemeit kiegészítő módon előfeszítve. A söntelemek hozzáadása hatékonyan csökkenti a forrás és a terhelés impedanciáit, csökkenti az impedancia arányt és növeli az off-state csillapítást. A hozzáadott bonyolultság mellett azonban az on-state csillapítás megnövekszik az on-state blokkoló elem soros ellenállása és az off-state shunt elemek kapacitása miatt.
A PIN dióda kapcsolókat nemcsak a jel, hanem az összetevők kiválasztására is használják. Például néhány alacsony fázisú zaj- oszcillátor használja őket tartomány-kapcsoló induktorokhoz.
RF és mikrohullámú változó csillapítók
A torzítóáram PIN diódán keresztüli megváltoztatásával gyorsan megváltoztatható az RF ellenállása.
Magas frekvenciákon a PIN-dióda ellenállásként jelenik meg, amelynek ellenállása az előremenő áramának inverz függvénye. Következésképpen a PIN dióda felhasználható néhány változó csillapító kialakításban amplitúdó modulátorként vagy kimeneti szintező áramkörként.
PIN-diódák használhatók például híd- és söntellenállásokként egy áthidalott T csillapítóban. Egy másik általános megközelítés a PIN diódák használata terminálként, amely egy kvadrát hibrid 0 fokos és -90 fokos portjához kapcsolódik. A csillapítandó jel a bemeneti portra kerül, és a csillapított eredmény a leválasztó portról származik. Ennek a megközelítésnek az előnyei az áthidalott T és pi megközelítéssel szemben (1) nincs szükség kiegészítő PIN-dióda-előfeszítő meghajtókra - ugyanazt az előfeszítést alkalmazzák mindkét diódára -, és (2) a csillapító vesztesége megegyezik a végződések, amelyek nagyon széles tartományban variálhatók.
Korlátozók
A PIN-diódákat néha nagyfrekvenciás tesztszondák és más áramkörök bemeneti védelmi eszközeiként használják. Ha a bemeneti jel kicsi, a PIN-dióda elhanyagolható hatást fejt ki, csak kis parazita kapacitást mutat. Az egyenirányító diódától eltérően az RF frekvenciákon nem mutat nemlineáris ellenállást, ami harmonikus és intermodulációs termékeket eredményezne. Ha a jel nagy, akkor, amikor a PIN-dióda elkezdi kijavítani a jelet, az előremenő áram feltölti a sodródási tartományt, és az eszköz RF impedanciája fordítottan arányos ellenállás a jel amplitúdójával. Ezt a változó ellenállású jel amplitúdót arra lehet használni, hogy a jel egy előre meghatározott részét leállítsuk egy rezisztív hálózatban, amely eloszlatja az energiát, vagy impedancia eltérést hozhatunk létre, amely visszatükrözi a beeső jelet a forrás felé. Ez utóbbi kombinálható egy izolátorral, egy keringetőszivattyút tartalmazó eszközzel, amely állandó mágneses teret használ a kölcsönösség megtörésére, és egy rezisztív terhelést a hátrafelé haladó hullám elválasztására és befejezésére. Söntkorlátozóként a PIN dióda alacsony impedanciát jelent az egész RF cikluson, ellentétben a párosított egyenirányító diódákkal, amelyek minden RF-ciklus alatt nagy ellenállástól alacsony ellenállásig lendülnének, és befognák a hullámformát, és nem tükröznék azt annyira. A gázmolekulák ionizációs helyreállítási ideje, amely lehetővé teszi a nagyobb teljesítményű szikrahézag-bemeneti védelmi eszköz létrehozását, végső soron a gáz hasonló fizikájára támaszkodik.
Fotodetektor és fotovoltaikus cella
A PIN fotodiódát Jun-ichi Nishizawa és munkatársai találták ki 1950-ben.
A PIN-fotodiódákat száloptikai hálózati kártyákban és kapcsolókban használják. Fotodetektorként a PIN dióda fordított torzítású. A fordított előfeszítő, a dióda rendszerint nem folytat (megtakarítás egy kis sötét aktuális vagy I s szivárgást). Amikor egy elegendő energiájú foton belép a dióda kimerülési tartományába, elektron-lyuk pár jön létre . A fordított torzítású mező kisöpri a hordozókat a régióból, áramot létrehozva. Néhány érzékelő lavina-szorzást használhat .
Ugyanez a mechanizmus vonatkozik a napelem PIN-struktúrájára vagy csapelágazására . Ebben az esetben a PIN-struktúra használatának előnye a hagyományos félvezető p – n kereszteződéssel szemben az előbbi jobb hosszú hullámhosszúságú válasza. Hosszú hullámhosszú besugárzás esetén a fotonok mélyen behatolnak a sejtbe. De csak a kimerülési régióban és annak közelében keletkezett elektron-lyuk párok járulnak hozzá a jelenlegi keletkezéshez. A PIN-struktúra kimerülési régiója átnyúlik a belső régióban, mélyen az eszközbe. Ez a szélesebb kimerítési szélesség lehetővé teszi az elektron-lyuk pár generálását a készülék mélyén, ami növeli a cella kvantumhatékonyságát .
A kereskedelemben kapható PIN-fotodiódák kvantumhatékonysága meghaladja a 80-90% -ot a telekommunikációs hullámhossz-tartományban (~ 1500 nm), és jellemzően germániumból vagy InGaA-kból készülnek . Gyors válaszidőkkel rendelkeznek (magasabbak, mint a pn társaik), több tíz gigahertzbe ütköznek, így ideálisak nagy sebességű optikai telekommunikációs alkalmazásokhoz. Hasonlóképpen, a szilícium tűs fotodiódák még nagyobb kvantum hatékonysággal rendelkeznek, de csak a szilícium sávszélessége alatti hullámhosszakat, azaz ~ 1100 nm-t képesek kimutatni.
Az amorf szilícium vékonyréteg-cellák általában PIN-struktúrákat alkalmaznak. Másrészt a CdTe cellák NIP struktúrát, a PIN szerkezet variációját használják. A NIP struktúrában a belső CdTe réteget n-adalékolt CdS és p-adalékolt ZnTe egészíti ki; a fotonok az n-adalékolt rétegre esnek, ellentétben egy PIN-diódával.
A PIN-fotodióda röntgen- és gammasugaras fotonokat is képes észlelni.
A modern száloptikai kommunikációban az optikai adók és vevők sebessége az egyik legfontosabb paraméter. A fotodióda kicsi felülete miatt parazita (nem kívánt) kapacitása csökken. A modern tűs fotodiódák sávszélessége eléri a mikrohullámú és milliméteres hullámtartományt.
Példa PIN-fotodiódákra
Az SFH203 és a BPW34 olcsó általános célú PIN-dióda 5 mm-es átlátszó műanyag tokokban, 100 MHz feletti sávszélességgel. A RONJA telekommunikációs rendszerek példaként szolgálnak.
Lásd még
- Optikai kábel
- Összekötő szűk keresztmetszet
- Optikai kommunikáció
- Optikai összekapcsolás
- Párhuzamos optikai interfész
- Lépéses helyreállítási dióda
Hivatkozások
Külső linkek
- A PIN dióda tervezők kézikönyve
- PIN korlátozó diódák a vevővédőkben, Skyworks alkalmazás megjegyzés