Un diodo PIN es un diodo con una región semiconductora intrínseca amplia y sin dopar entre un semiconductor de tipo p y una región semiconductora de tipo n . Las regiones de tipo p y tipo n suelen estar muy dopadas porque se utilizan para contactos óhmicos .
La amplia región intrínseca contrasta con la de un diodo p-n común . 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, conmutadores 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.
Un diodo PIN funciona bajo lo que se conoce como inyección de alto nivel . En otras palabras, la región intrínseca "i" se inunda con portadores de carga de las regiones "p" y "n". Su función puede compararse con llenar un balde de agua con un agujero en el costado. Una vez que el agua alcanza el nivel del agujero, comenzará a salir. De manera similar, el diodo conducirá corriente una vez que los electrones y agujeros inundados alcancen un punto de equilibrio, donde el número de electrones es igual al número de agujeros en la región intrínseca.
Cuando el diodo está polarizado directamente , la concentración de portadores inyectados es típicamente varios órdenes de magnitud mayor que la concentración de portadores intrínsecos. Debido a esta inyección de alto nivel, que a su vez se debe al proceso de agotamiento , el campo eléctrico se extiende profundamente (casi toda la 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 un funcionamiento más rápido del diodo, lo que lo convierte en un dispositivo adecuado para el funcionamiento de alta frecuencia. [ cita requerida ]
El diodo PIN obedece a la ecuación estándar de diodos 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 diodo es su tiempo de recuperación inversa , y es relativamente largo en un diodo PIN. Para un material semiconductor dado, impedancia en estado encendido y frecuencia de RF mínima utilizable, el tiempo de recuperación inversa es fijo. Esta propiedad se puede explotar; una variedad de diodo PIN, el diodo de recuperación por pasos , 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. [ cita requerida ]
La resistencia de alta frecuencia es inversamente proporcional a la corriente de polarización de CC que pasa por el diodo. Por lo 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 capacitancia baja cuando esté polarizado 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 los pares electrón-hueco pueden generarse mediante un fotón incidente. Algunos dispositivos fotodetectores , como los fotodiodos PIN y los 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 desventajas. Aumentar el área de la sección transversal 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 necesaria para eliminar la carga durante un tiempo de conmutación fijo, sin efecto en el tiempo mínimo necesario para barrer la carga de la región I. Aumentar el grosor de la región intrínseca aumenta la carga almacenada total, disminuye la frecuencia mínima de RF y disminuye la capacitancia de polarización inversa, pero no disminuye la resistencia de RF de polarización directa y aumenta el tiempo mínimo necesario para barrer la carga de deriva y la transición de baja a alta resistencia de RF. Los diodos se venden comercialmente en una variedad de geometrías para bandas de RF y usos específicos.
Los diodos PIN son útiles como conmutadores de RF , atenuadores , fotodetectores y desfasadores. [2]
En condiciones de polarización cero o inversa (estado "apagado"), un diodo PIN tiene una capacitancia baja . La capacitancia baja no dejará pasar gran parte de la señal de RF . En condiciones de polarización directa de 1 mA (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 conmutador de RF.
Aunque los relés de RF se pueden utilizar como interruptores, su conmutación es relativamente lenta (del orden de decenas de milisegundos ). Un interruptor de diodo PIN puede conmutar mucho más rápidamente (por ejemplo, 1 microsegundo ), aunque a frecuencias de RF más bajas no es razonable esperar tiempos de conmutación del mismo orden de magnitud que el período de 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 :
Como elemento en serie en un sistema de 50 ohmios , la atenuación en estado desactivado es:
Esta atenuación puede no ser adecuada. En aplicaciones donde se necesita un mayor aislamiento, se pueden utilizar elementos en serie y en derivación, con los diodos en derivación polarizados de manera complementaria a los elementos en serie. La adición de elementos en derivación reduce de manera efectiva las impedancias de la fuente y de la carga, lo que reduce la relación de impedancia y aumenta la atenuación en estado desactivado. 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 en derivación en estado desactivado.
Los diodos PIN no solo se utilizan para la selección de señales, sino también para la selección de componentes. Por ejemplo, algunos osciladores de bajo ruido de fase los utilizan para cambiar el rango de los inductores. [3]
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 atenuadores variables como moduladores de amplitud o circuitos de nivelación de salida.
Los diodos PIN se pueden utilizar, por ejemplo, como resistencias de puente y de derivación en un atenuador en T puenteado. Otro enfoque común es utilizar diodos PIN como terminaciones conectadas a los puertos de 0 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 T puenteado y pi son (1) no se necesitan controladores de polarización de diodos PIN complementarios (se aplica la misma polarización a ambos diodos) y (2) la pérdida en el atenuador es igual a la pérdida de retorno de las terminaciones, que se puede variar en un rango muy amplio.
Los diodos PIN se diseñan a veces 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 frecuencias de RF, lo que daría lugar a armónicos y productos de intermodulación. Si la señal es grande, entonces 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 inversamente proporcional a la amplitud de la señal. Esa resistencia que varía la amplitud de la señal se puede usar para terminar una porción predeterminada de la señal en una red resistiva que disipa la energía o para crear un desajuste de impedancia que refleja la señal incidente de regreso hacia la fuente. Esto último se puede combinar 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 que viaja hacia atrás. Cuando se utiliza como limitador de derivación, la impedancia del diodo PIN es 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, lo que restringiría la forma de onda y no la reflejaría por completo. 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.
El fotodiodo PIN fue inventado por Jun-ichi Nishizawa y sus colegas en 1950. [4]
Los fotodiodos PIN se utilizan en tarjetas de red y conmutadores de fibra óptica. Como fotodetector, el diodo PIN tiene polarización inversa. Con polarización inversa, el diodo normalmente no conduce (salvo una pequeña corriente oscura o una fuga de I s ). Cuando un fotón de suficiente energía entra en la región de agotamiento del diodo, crea un par electrón-hueco . El campo de polarización inversa barre a los portadores fuera de la región, creando corriente. Algunos detectores pueden utilizar la multiplicación de avalancha .
El mismo mecanismo se aplica a la estructura PIN, o unión pin , de una célula solar . En este caso, la ventaja de utilizar una estructura PIN sobre la unión p–n de semiconductores convencional 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 través de la región intrínseca, profundamente en el dispositivo. Este ancho de agotamiento más amplio permite la generación de pares electrón-hueco en profundidad dentro del dispositivo, lo que aumenta la eficiencia cuántica de la célula.
Los fotodiodos PIN disponibles comercialmente tienen eficiencias cuánticas superiores al 80-90% en el rango de longitud de onda de telecomunicaciones (~1500 nm), y generalmente están hechos de germanio o InGaAs . Presentan tiempos de respuesta rápidos (superiores a sus contrapartes pn), que llegan a varias decenas de gigahercios, [5] lo que los hace ideales para aplicaciones de telecomunicaciones ópticas de alta velocidad. De manera similar, los fotodiodos pin de silicio [6] tienen eficiencias cuánticas aún mayores, pero solo pueden detectar longitudes de onda por debajo de la banda prohibida del silicio, es decir, ~1100 nm.
Por lo general, las células de película delgada de silicio amorfo utilizan estructuras PIN. Por otro lado, las células de CdTe utilizan la estructura NIP, una variación de la estructura PIN. En una estructura NIP, una capa intrínseca de CdTe está intercalada entre CdS dopado con n y ZnTe dopado con p; los fotones inciden sobre la capa dopada con n, a diferencia de lo que ocurre en 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 por fibra óptica, la velocidad de los transmisores y receptores ópticos es uno de los parámetros más importantes. Debido a la pequeña superficie del fotodiodo, su capacidad parásita (no deseada) se reduce. El ancho de banda de los fotodiodos pin modernos alcanza el rango de las microondas y las ondas milimétricas. [7]
SFH203 y BPW34 son diodos PIN económicos de uso general en carcasas de plástico transparente de 5 mm con anchos de banda superiores a 100 MHz.
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