Diodo PIN

Un diodo PIN es un diodo con una amplia región semiconductora intrínseca sin dopar entre un semiconductor tipo p y una región semiconductora tipo n. Las regiones de tipo p y tipo n suelen estar fuertemente dopadas porque se utilizan para contactos óhmicos.

La amplia región intrínseca contrasta con un diodo p-n ordinario. La amplia región intrínseca hace que el diodo PIN sea un rectificador inferior (una función típica de un diodo), pero lo hace adecuado para atenuadores, interruptores rápidos, fotodetectores y aplicaciones de electrónica de potencia de alto voltaje.

El fotodiodo PIN fue inventado por Jun-Ichi Nishizawa y sus colegas en 1950. Es un dispositivo semiconductor.

Operación

Un diodo PIN funciona bajo lo que se conoce como inyección de alto nivel. En otras palabras, el intrínseco "i" región está inundada de portadores de carga de la "p" y "n" regiones. Su función se puede comparar con llenar un cubo de agua con un agujero en el costado. Una vez que el agua alcance el nivel del orificio, comenzará a salir. De manera similar, el diodo conducirá corriente una vez que los electrones inundados y los huecos alcancen un punto de equilibrio, donde el número de electrones es igual al número de huecos en la región intrínseca.

Cuando el diodo tiene polarización directa, la concentración de portador inyectado suele ser varios órdenes de magnitud mayor que la concentración de portador intrínseco. Debido a esta inyección de alto nivel, que a su vez se debe al proceso de agotamiento, el campo eléctrico se extiende profundamente (casi en toda su longitud) en la región. Este campo eléctrico ayuda a acelerar el transporte de portadores de carga desde la región P a la N, lo que da como resultado una operación más rápida del diodo, lo que lo convierte en un dispositivo adecuado para la operación de alta frecuencia.

Características

El diodo PIN obedece a la ecuación de diodo estándar para señales de baja frecuencia. A frecuencias más altas, el diodo parece una resistencia casi perfecta (muy lineal, incluso para señales grandes). El diodo P-I-N tiene una carga almacenada relativamente grande a la deriva en una región intrínseca gruesa. A una frecuencia lo suficientemente baja, la carga almacenada se puede barrer por completo y el diodo se apaga. A frecuencias más altas, no hay tiempo suficiente para barrer la carga de la región de deriva, por lo que el diodo nunca se apaga. El tiempo requerido para barrer la carga almacenada desde la unión de un diodo es su tiempo de recuperación inverso y es relativamente largo en un diodo PIN. Para un material semiconductor dado, una impedancia en estado activo y una frecuencia de RF mínima utilizable, el tiempo de recuperación inversa es fijo. Esta propiedad puede ser explotada; una variedad de diodo P-I-N, el diodo de recuperación escalonada, explota el cambio abrupto de impedancia al final de la recuperación inversa para crear una forma de onda de impulso estrecha útil para la multiplicación de frecuencia con múltiplos altos.

La resistencia de alta frecuencia es inversamente proporcional a la corriente de polarización de CC a través del diodo. Un diodo PIN, convenientemente polarizado, actúa por lo tanto como una resistencia variable. Esta resistencia de alta frecuencia puede variar en un amplio rango (desde 0.1 Ω hasta 10 kΩ en algunos casos; el rango útil es aunque más pequeño).

La amplia región intrínseca también significa que el diodo tendrá una capacitancia baja cuando se polarice inversamente.

En un diodo PIN, la región de agotamiento existe casi por completo dentro de la región intrínseca. Esta región de agotamiento es mucho más grande que en un diodo PN y de tamaño casi constante, independientemente de la polarización inversa aplicada al diodo. Esto aumenta el volumen en el que un fotón incidente puede generar pares electrón-hueco. Algunos dispositivos fotodetectores, como fotodiodos PIN y fototransistores (en los que la unión base-colector es un diodo PIN), utilizan una unión PIN en su construcción.

El diseño del diodo tiene algunas compensaciones de diseño. El aumento del área de la región intrínseca aumenta su carga almacenada, lo que reduce su resistencia de estado activado de RF, al mismo tiempo que aumenta la capacitancia de polarización inversa y aumenta la corriente de excitación requerida para eliminar la carga durante un tiempo de conmutación fijo, sin efecto sobre el tiempo mínimo requerido para el barrido. la carga de la I región. El aumento del grosor de la región intrínseca aumenta la carga total almacenada, disminuye la frecuencia de RF mínima y disminuye la capacitancia de polarización inversa, pero no disminuye la resistencia de RF de polarización directa y aumenta el tiempo mínimo requerido para barrer la deriva carga y transición de baja a alta resistencia RF. Los diodos se venden comercialmente en una variedad de geometrías para bandas y usos de RF específicos.

Aplicaciones

Los diodos PIN son útiles como interruptores de RF, atenuadores, fotodetectores y cambiadores de fase.

Interruptores de RF y microondas

Un interruptor de microondas RF de diodo PIN

Con polarización inversa o cero (el estado 'apagado'), un diodo PIN tiene una capacitancia baja. La baja capacitancia no pasará gran parte de una señal de RF. Con una polarización directa de 1 mA (el estado 'encendido'), un diodo PIN típico tendrá una resistencia de RF de aproximadamente 1 ohmio, lo que lo convierte en un buen conductor de RF. En consecuencia, el diodo PIN es un buen interruptor de RF.

Aunque los relés de RF se pueden usar como interruptores, cambian con relativa lentitud (del orden de décenas de milisegundos). Un interruptor de diodo PIN puede cambiar mucho más rápido (por ejemplo, 1 microsegundo), aunque a frecuencias de RF más bajas no es razonable esperar tiempos de cambio del mismo orden de magnitud. como el período RF.

Por ejemplo, la capacitancia de un diodo PIN discreto en estado "apagado" podría ser 1 pF. A 320 MHz, la reactancia capacitiva de 1 pF es 497 ohmios:

Zdiode=12π π fC=12π π ()320× × 106Hz)()1× × 10− − 12F)=497Ω Ω {displaystyle {begin{aligned}Z_{mathrm {fnK} {fnMicroc}{2pi} fC}\\fnMicroc {1}{2pi (320times 10^{6},mathrm {Hz})(1times 10^{-12},mathrm {F}}\\\\\\\cH497,Omega end{aligned}}}}}}}}}}}\\\\\\

Como elemento en serie en un sistema 50 ohm, la atenuación fuera de estado es:

A=20log10⁡ ⁡ ()ZloadZsource+Zdiode+Zload)=20log10⁡ ⁡ ()50Ω Ω 50Ω Ω +497Ω Ω +50Ω Ω )=21.5dB{displaystyle {begin{aligned}A paciente=20log _{10}left({frac {Z_{mathrm {load} # {Z_{mathrm {source}+Z_{mathrm ################################################################################################################################################################################################################################################################

Es posible que esta atenuación no sea adecuada. En aplicaciones donde se necesita un mayor aislamiento, se pueden usar elementos en serie y en derivación, con los diodos en derivación polarizados de manera complementaria a los elementos en serie. Agregar elementos de derivación reduce efectivamente las impedancias de fuente y carga, reduciendo la relación de impedancia y aumentando la atenuación fuera de estado. Sin embargo, además de la complejidad añadida, la atenuación en estado activado aumenta debido a la resistencia en serie del elemento de bloqueo en estado activado y la capacitancia de los elementos de derivación en estado desactivado.

Los interruptores de diodo PIN se utilizan no solo para la selección de señales, sino también para la selección de componentes. Por ejemplo, algunos osciladores de bajo ruido de fase los utilizan para inductores de conmutación de rango.

Atenuadores variables de RF y microondas

Atenuador de diodo RF microondas PIN

Al cambiar la corriente de polarización a través de un diodo PIN, es posible cambiar rápidamente su resistencia RF.

A altas frecuencias, el diodo PIN aparece como una resistencia cuya resistencia es una función inversa de su corriente directa. En consecuencia, el diodo PIN se puede utilizar en algunos diseños de atenuadores variables como moduladores de amplitud o circuitos de nivelación de salida.

Los diodos PIN pueden usarse, por ejemplo, como puente y resistencias de derivación en un atenuador en T puenteado. Otro enfoque común es usar diodos PIN como terminaciones conectadas a los puertos de 0 grados y -90 grados de un híbrido en cuadratura. La señal a atenuar se aplica al puerto de entrada y el resultado atenuado se toma del puerto de aislamiento. Las ventajas de este enfoque sobre los enfoques puente-T y pi son (1) no se necesitan impulsores de polarización de diodo PIN complementarios (se aplica la misma polarización a ambos diodos) y (2) la pérdida en el atenuador es igual a la pérdida de retorno del terminaciones, que se pueden variar en un rango muy amplio.

Limitadores

Los diodos PIN a veces están diseñados para usarse como dispositivos de protección de entrada para sondas de prueba de alta frecuencia y otros circuitos. Si la señal de entrada es pequeña, el diodo PIN tiene un impacto insignificante, presentando solo una pequeña capacitancia parásita. A diferencia de un diodo rectificador, no presenta una resistencia no lineal en las frecuencias de RF, lo que daría lugar a armónicos y productos de intermodulación. Si la señal es grande, cuando el diodo PIN comienza a rectificar la señal, la corriente directa carga la región de deriva y la impedancia de RF del dispositivo es una resistencia inversamente proporcional a la amplitud de la señal. Esa resistencia variable de amplitud de señal se puede usar para terminar una parte predeterminada de la señal en una red resistiva que disipa la energía o para crear una falta de coincidencia de impedancia que refleja la señal incidente hacia la fuente. Este último puede combinarse con un aislador, un dispositivo que contiene un circulador que utiliza un campo magnético permanente para romper la reciprocidad y una carga resistiva para separar y terminar la onda viajera hacia atrás. Cuando se usa como limitador de derivación, el diodo PIN tiene una impedancia baja durante todo el ciclo de RF, a diferencia de los diodos rectificadores emparejados que oscilarían de una resistencia alta a una resistencia baja durante cada ciclo de RF, sujetando la forma de onda y no reflejándola completamente. El tiempo de recuperación de la ionización de las moléculas de gas que permite la creación del dispositivo de protección de entrada de chispa de mayor potencia depende en última instancia de una física similar en un gas.

Fotodetector y celda fotovoltaica

El fotodiodo PIN fue inventado por Jun-ichi Nishizawa y sus colegas en 1950.

Los fotodiodos PIN se utilizan en conmutadores y tarjetas de red de fibra óptica. Como fotodetector, el diodo PIN tiene polarización inversa. Bajo polarización inversa, el diodo normalmente no conduce (salvo una pequeña corriente oscura o una fuga de I_s). Cuando un fotón de suficiente energía ingresa a la región de agotamiento del diodo, crea un par electrón-hueco. El campo de polarización inversa barre los portadores fuera de la región, creando corriente. Algunos detectores pueden usar la multiplicación de avalancha.

El mismo mecanismo se aplica a la estructura PIN, o unión p-i-n, de una celda solar. En este caso, la ventaja de usar una estructura PIN sobre la unión p-n de semiconductores convencionales es una mejor respuesta de longitud de onda larga de la primera. En caso de irradiación de longitud de onda larga, los fotones penetran profundamente en la célula. Pero solo los pares electrón-hueco generados en y cerca de la región de agotamiento contribuyen a la generación de corriente. La región de agotamiento de una estructura PIN se extiende a lo largo de la región intrínseca, en lo profundo del dispositivo. Este ancho de agotamiento más amplio permite la generación de pares de agujeros de electrones en lo profundo del dispositivo, lo que aumenta la eficiencia cuántica de la celda.

Los fotodiodos PIN disponibles comercialmente tienen eficiencias cuánticas superiores al 80-90 % en el rango de longitud de onda de las telecomunicaciones (~1500 nm) y, por lo general, están hechos de germanio o InGaAs. Presentan tiempos de respuesta rápidos (más altos que sus contrapartes p-n), llegando a varias decenas de gigahercios, lo que los hace ideales para aplicaciones de telecomunicaciones ópticas de alta velocidad. De manera similar, los fotodiodos p-i-n de silicio tienen eficiencias cuánticas aún más altas, pero solo pueden detectar longitudes de onda por debajo de la banda prohibida del silicio, es decir, ~1100 nm.

Por lo general, las celdas de película delgada de silicio amorfo usan estructuras PIN. Por otro lado, las celdas CdTe utilizan la estructura NIP, una variación de la estructura PIN. En una estructura NIP, una capa intrínseca de CdTe está intercalada por CdS dopado con n y ZnTe dopado con p; los fotones inciden en la capa dopada n, a diferencia de un diodo PIN.

Un fotodiodo PIN también puede detectar radiación ionizante en caso de que se utilice como detector de semiconductores.

En las comunicaciones modernas de fibra óptica, la velocidad de los transmisores y receptores ópticos es uno de los parámetros más importantes. Debido a la pequeña superficie del fotodiodo, se reduce su capacitancia parásita (no deseada). El ancho de banda de los fotodiodos pin modernos está alcanzando el rango de microondas y ondas milimétricas.

Fotodiodos PIN de ejemplo

SFH203 y BPW34 son diodos PIN económicos de uso general en cajas de plástico transparente de 5 mm con anchos de banda de más de 100 MHz.