Diodo PIN

Capas de un diodo PIN

Un PIN diodo es un diodo con una amplia, sin dopar semiconductor intrínseco región entre un semiconductor de tipo p y un semiconductor de tipo n región. Las regiones de tipo py de tipo n suelen estar muy 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 opera bajo lo que se conoce como inyección de alto nivel . En otras palabras, la región intrínseca "i" está inundada de portadores de carga de las regiones "p" y "n". Su función se puede comparar a llenar un cubo de agua con un agujero en el lateral. Una vez que el agua alcance el nivel del agujero, comenzará a salir. De manera similar, el diodo conducirá la 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 portadora inyectada es típicamente varios órdenes de magnitud más alta que la concentración de portadora intrínseca. 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) hacia 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 un funcionamiento más rápido del diodo, lo que lo convierte en un dispositivo adecuado para el funcionamiento de alta frecuencia.

Caracteristicas

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 PIN 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 necesario para barrer la carga almacenada de una unión de diodos es su tiempo de recuperación inverso, y es relativamente largo en un diodo PIN. Para un material semiconductor dado, impedancia en estado activado y frecuencia de RF mínima utilizable, el tiempo de recuperación inverso es fijo. Esta propiedad puede explotarse; una variedad de diodo PIN, el diodo de recuperación escalonada , aprovecha 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 frecuencias con múltiplos altos.

La resistencia de alta frecuencia es inversamente proporcional a la corriente de polarización de CC a través del diodo. Por tanto, un diodo PIN, adecuadamente polarizado, actúa como una resistencia variable. Esta resistencia de alta frecuencia puede variar en un amplio rango (de 0,1 Ω a 10 kΩ en algunos casos; ^[1] aunque el rango útil es menor).

La amplia región intrínseca también significa que el diodo tendrá una baja capacitancia cuando esté polarizado en reversa .

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, independiente de la polarización inversa aplicada al diodo. Esto aumenta el volumen en el que un fotón incidente puede generar pares de agujeros de electrones. 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 ventajas y desventajas. Aumentar el área de la región intrínseca aumenta su carga almacenada, lo que reduce su resistencia de RF en estado activado 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 barrer. 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 carga de deriva y transición de baja a alta resistencia de 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 desfasadores. ^[2]

Interruptores de RF y microondas

Un interruptor de microondas RF de diodo PIN

Bajo polarización cero o inversa (el estado "apagado"), un diodo PIN tiene una capacitancia baja . La baja capacitancia no pasará gran parte de una señal de RF . Bajo 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 decenas de milisegundos ). Un interruptor de diodo PIN puede cambiar mucho más rápidamente (por ejemplo, 1 microsegundo ), aunque a frecuencias de RF más bajas no es razonable esperar tiempos de conmutación en el mismo orden de magnitud que el período de RF.

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

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{\mathrm {diode} }&={\frac {1}{2\pi fC}}\\&={\frac {1}{2\pi (320\times 10^{6}\,\mathrm {Hz} )(1\times 10^{-12}\,\mathrm {F} )}}\\&=497\,\Omega \end{aligned}}}$

Como elemento en serie en un sistema de 50 ohmios , la atenuación del estado desactivado es:

${\displaystyle {\begin{aligned}A&=20\log _{10}\left({\frac {Z_{\mathrm {load} }}{Z_{\mathrm {source} }+Z_{\mathrm {diode} }+Z_{\mathrm {load} }}}\right)\\&=20\log _{10}\left({\frac {50\,\Omega }{50\,\Omega +497\,\Omega +50\,\Omega }}\right)\\&={21.5}\,\mathrm {dB} \end{aligned}}}$

Esta atenuación puede no ser adecuada. En aplicaciones donde se necesita un mayor aislamiento, se pueden utilizar elementos tanto en derivación como en serie, con los diodos en derivación polarizados de manera complementaria a los elementos en serie. La adición de elementos de derivación reduce eficazmente las impedancias de la fuente y la carga, lo que reduce la relación de impedancia y aumenta la atenuación del estado desactivado. Sin embargo, además de la complejidad añadida, la atenuación del estado activado aumenta debido a la resistencia en serie del elemento de bloqueo del estado activado y la capacitancia de los elementos de derivación del 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 usan para inductores de conmutación de rango. ^[3]

Atenuadores variables de RF y microondas

Un atenuador de diodo PIN de microondas de RF

Al cambiar la corriente de polarización a través de un diodo PIN, es posible cambiar rápidamente su resistencia de 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 atenuador variable como moduladores de amplitud o circuitos de nivelación de salida.

Los diodos PIN se pueden utilizar, por ejemplo, como resistencias de puente y derivación en un atenuador en T puenteado. Otro enfoque común es utilizar diodos PIN como terminaciones conectadas a los puertos de 0 grados y -90 grados de un híbrido en cuadratura. La señal que se va 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 en puente-T y pi son (1) no se necesitan unidades de polarización de diodo PIN complementarias (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 de variación de amplitud de señal se puede usar para terminar alguna porción 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 usa un campo magnético permanente para romper la reciprocidad y una carga resistiva para separar y terminar la onda de retroceso. Cuando se usa como un 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.Cuando se usa como un 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.Cuando se usa como un 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. ^[4]

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 ). Cuando un fotón de energía suficiente entra en la región de agotamiento del diodo, crea un par electrón-hueco . El campo de polarización inversa barre las portadoras fuera de la región, creando corriente. Algunos detectores pueden utilizar la multiplicación de avalanchas .

El mismo mecanismo se aplica a la estructura PIN, o unión de pines , de una celda solar . En este caso, la ventaja de utilizar 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 de electrones y huecos generados en y cerca de la región de agotamiento contribuyen a la generación actual. La región de agotamiento de una estructura PIN se extiende a través de la región intrínseca, profundamente en el dispositivo. Este ancho de agotamiento más amplio permite la generación de pares de agujeros de electrones en las profundidades 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 normalmente están hechos de germanio o InGaAs . Presentan tiempos de respuesta rápidos (más altos que sus contrapartes pn), llegando a varias decenas de gigahercios, ^[5] haciéndolos ideales para aplicaciones de telecomunicaciones ópticas de alta velocidad. De manera similar, los fotodiodos de clavija de silicio ^[6] 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.

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

Un fotodiodo PIN también puede detectar fotones de rayos X y rayos gamma.

En las comunicaciones de fibra óptica modernas, 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 capacidad parasitaria (no deseada). El ancho de banda de los fotodiodos pin modernos está alcanzando el rango de microondas y ondas milimétricas. ^[7]

Ejemplo de fotodiodos PIN

SFH203 y BPW34 son diodos PIN económicos de uso general en cajas de plástico transparente de 5 mm con anchos de banda superiores a 100 MHz. Los sistemas de telecomunicaciones de RONJA son una aplicación de ejemplo. ^{[ promoción? ]}

Ver también

• Cable de fibra óptica
• Cuello de botella de interconexión
• Comunicación óptica
• Interconexión óptica
• Interfaz óptica paralela
• Diodo de recuperación de paso

Referencias

1. Doherty, Bill, MicroNotes: Fundamentos del diodo PIN (PDF) , Watertown, MA: Microsemi Corp., MicroNote Series 701
2. https://srmsc.org/pdf/004430p0.pdf (versión de transcripción: http://www.alternatewars.com/WW3/WW3_Documents/ABM_Bell/ABM_Ch8.htm )
3. "Interruptores de microondas: notas de aplicación" . Microondas Herley General . Archivado desde el original el 30 de octubre de 2013.
4. Dummer, GWA (22 de octubre de 2013). Inventos y descubrimientos electrónicos: la electrónica desde sus inicios hasta la actualidad . Elsevier. ISBN 9781483145211. Consultado el 14 de abril de 2018 , a través de Google Books.
5. "Módulos fotodetectores de descubrimiento semiconductor 40G InGaAs" .
6. "Fotodiodos de Si | Fotónica de Hamamatsu" . hamamatsu.com . Consultado el 26 de marzo de 2021 .
7. Empuñadura de Attila, Gábor Járó, Attila Zólomy, Béatrice Cabon, Tibor Berceli, Tamás Marozsák: "Caracterización por microondas de fotodiodos pin de alta velocidad", Proc. de la Novena Conferencia sobre Técnicas de Microondas COMITE'97, págs.21-24, Pardubice, República Checa, 16-17 de octubre de 1997.

enlaces externos

• El manual para diseñadores de diodos PIN
• Diodos limitadores de PIN en protectores de receptor , nota de aplicación Skyworks