Un diodo PIN es un diodo con una región semiconductora intrínseca amplia y no dopada entre un semiconductor tipo p y una región semiconductora 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 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.
Un diodo PIN opera bajo lo que se conoce como inyección de alto nivel . En otras palabras, la región "i" intrínseca está inundada de portadores de carga de las regiones "p" y "n". Su función se puede comparar con 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 corriente una vez que los electrones y huecos inundados 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 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) en la región. Este campo eléctrico ayuda a acelerar el transporte de portadores de carga desde la región P a la región N, lo que resulta en un funcionamiento más rápido del diodo, lo que lo convierte en un dispositivo adecuado para el funcionamiento de alta frecuencia. [ cita necesaria ]
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 suficientemente baja, la carga almacenada puede ser barrida 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 inversa , y es relativamente largo en un diodo PIN. Para un material semiconductor determinado, 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 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 frecuencia con múltiplos altos. [ cita necesaria ]
La resistencia de alta frecuencia es inversamente proporcional a la corriente de polarización de CC que pasa por el diodo. Por tanto, un diodo PIN, adecuadamente polarizado, actúa como 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 en inversa .
En un diodo PIN, la región de agotamiento existe casi por completo dentro de la región intrínseca. Esta región de agotamiento es mucho mayor 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 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 compensaciones de diseño. Al aumentar el área de la sección transversal de la región intrínseca se aumenta su carga almacenada, se reduce su resistencia de RF en estado activado y al mismo tiempo se aumenta la capacitancia de polarización inversa y se aumenta la corriente de excitación requerida para eliminar la carga durante un tiempo de conmutación fijo, sin efecto en el tiempo mínimo. requerido para barrer la carga de la región I. Aumentar el espesor de la región intrínseca aumenta la carga total almacenada, 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 requerido para barrer la carga de deriva y transición de resistencia de RF baja a alta. Los diodos se venden comercialmente en una variedad de geometrías para usos y bandas de RF específicos.
Los diodos PIN son útiles como interruptores de RF , atenuadores , fotodetectores y desfasadores. [2]
En condiciones de polarización cero o inversa (el estado "apagado"), un diodo PIN tiene una capacitancia baja . La baja capacitancia no permitirá pasar mucha 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 constituye un buen conmutador de RF.
Aunque los relés de RF se pueden utilizar como interruptores, conmutan relativamente lentamente (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 de 497 ohmios :
Como elemento en serie en un sistema de 50 ohmios , la atenuación fuera del estado es:
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 forma 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 del 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 en 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 cambiar de rango 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 podrían usarse, por ejemplo, como puente y resistencias en 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 puente T y pi son (1) no se necesitan unidades de polarización de diodo PIN complementario (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 pueden variar en un rango muy amplio.
Los diodos PIN a veces se diseñan 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 y presenta 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, 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 que varía la amplitud de la 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 refleje la señal incidente de regreso hacia la fuente. Este último se puede combinar 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 que viaja hacia atrás. Cuando se utiliza 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, fijando 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 del explosor 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 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 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 avalanchas .
El mismo mecanismo se aplica a la estructura PIN, o unión de pines , de una célula 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 sólo los pares electrón-hueco generados en y cerca de la región de agotamiento contribuyen a la generación actual. La región de agotamiento de una estructura de 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 huecos 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 normalmente están hechos de germanio o InGaAs . Presentan tiempos de respuesta rápidos (superiores a sus homólogos pn), llegando a varias decenas de gigahercios, [5] lo que los hace ideales para aplicaciones de telecomunicaciones ópticas de alta velocidad. De manera similar, los fotodiodos de clavijas 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.
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 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, se reduce su capacitancia parásita (no deseada). 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 cajas de plástico transparente de 5 mm con anchos de banda superiores a 100 MHz.
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