pin diode что это
Pin диод
PIN-диод — разновидность диода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный (нелегированный, англ. intrinsic) полупроводник (i-область). p и n области как правило легируются сильно, так как они часто используются для омического контакта к металлу.
Широкая нелегированная i-область делает pin-диод плохим выпрямителем (обычное применение для диода), но, с другой стороны, это позволяет использовать его в аттенюаторах (ослабителях сигнала), быстрых переключателях, фотодетекторах, а также в высоковольтной электронике.
Как правило предназначен для работы в сантиметровом диапазоне волн.
Содержание
Принцип работы
Характерные качества pin-диода проявляются при работе в режиме сильной инжекции, когда i-область заполняется носителями заряда из сильнолегированных n+ и p+ областей, к которым прикладывается прямое смещение напряжения. pin-диод функционально можно сравнить с ведром воды с отверстием сбоку: как только ведро наполняется до уровня отверстия, оно начинает протекать. Точно так же и диод начинает пропускать ток, как только заполнится носителями заряда i-область.
Из-за того, что в i-области очень низкая концентрация носителей заряда, там практически отсутствуют процессы рекомбинации во время инжекции. Но в режиме прямого смещения концентрация носителей заряда на несколько порядков превышает собственную концентрацию.
Характеристики
На низких частотах для pin-диода справедливы те же уравнения, что и для обычного. На высоких частотах pin-диод ведет себя как практически идеальный резистор — его вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейна даже для очень большого значения напряжения. На высоких частотах в i-области находится большое количество накопленного заряда, который позволяет диоду работать. На низких частотах заряд в i-области рекомбинирует и диод выключается.
Реактивное сопротивление обратно пропорционально постоянному току, протекающему через pin-диод. Таким образом, можно варьировать значение сопротивления в широких пределах — от 0,1 Ом до 10 кОм — меняя постоянную составляющую тока.
Большая ширина i-области также означает, что pin-диод имеет небольшую ёмкость при обратном смещении.
Области пространственного заряда (ОПЗ) в pin-диоде практически полностью находятся в i-области. По сравнению с обычными, pin-диод имеет значительно бо́льшую ОПЗ, границы которой незначительно меняются в зависимости от приложенного обратного напряжения. Таким образом увеличивается объем полупроводника, где могут быть образованы электронно-дырочные пары под воздействием излучения (например, оптического — фотона). Некоторые фотодетекторы, такие как pin-фотодиоды и фототранзисторы (в которых переход база-коллектор является pin-диодом), используют pin-переход для реализации функции детектирования.
При проектировании pin-диода приходится искать компромисс: с одной стороны, увеличивая величину i-области (а соответственно, и количество накопленного заряда) можно добиться резистивного поведения диода на более низких частотах, но с другой стороны, при этом для рекомбинации заряда и перехода в закрытое состояние потребуется большее время. Поэтому, как правило, pin-диоды каждый раз проектируются под конкретное приложение.
Применение
pin-диоды как правило используются как переключатели в радио- и СВЧ трактах, аттенюаторы, модуляторы, переключатели и фотодетекторы.
По области применения pin-диоды подразделяют на:
Радиочастотные (РЧ) и СВЧ-переключатели
При нулевом или обратном смещении pin-диод имеет малую ёмкость. Ёмкость небольшой величины не пропускает высокочастотный сигнал. При прямом смещении и токе 1 мА типичный pin-диод имеет реактивное сопротивление порядка 1 Ом, что делает его хорошим проводником в РЧ-тракте. Таким образом, pin-диод может использоваться в качестве хорошего РЧ- и СВЧ-переключателя.
РЧ реле также используются как переключатели, однако с меньшей скоростью (время переключения
10 мс), в то время, как pin-диоды — значительно быстрее: десятки нс, единицы мкс.
Ёмкость выключенного дискретного pin-диода составляет примерно 1 пФ. На частоте 320 МГц реактивное сопротивление такой емкости
500 Ом. В системах, рассчитанных на 50 Ом, ослабление сигнала будет около 20 дБ, что в некоторых приложениях недостаточно. В приложениях, требующих большей изоляции, переключатели каскадируются: каскад из трёх диодов даёт ослабление в 60 дБ и более (до 100 дБ в зависимости от частоты).
РЧ и СВЧ управляемые аттенюаторы
Меняя ток через pin-диод, можно быстро изменить реактивное сопротивление.
На высоких частотах реактивное сопротивление pin-диода обратно пропорционально силе тока. Соответственно, pin-диод может использоваться как управляемый аттенюатор, например, в схемах амплитудных модуляторов и сдвига уровня.
pin-диод может использоваться, например, как мостовой или шунтирующий резистор в Т-мостовой схеме аттенюатора.
Ограничители
pin-диоды иногда используются для защиты устройств по входам при высокочастотных измерениях. Если входной сигнал мал и находится в области допустимых значений, то pin-диод как малая ёмкость вносит минимальные искажения. При увеличении сигнала и выходе его за допустимые рамки pin-диод начинает проводить и становится резистором, шунтирующим сигнал на «землю».
Фотодетекторы
pin-диод может использоваться в сетевых картах и коммутаторах для волоконно-оптических кабелей. В этих приложениях pin-диод используется как фотодиод.
В качестве фотодетектора pin-диод работает при обратном смещении. При этом он закрыт и не пропускает ток (за исключением незначительного тока утечки). Фотон входит в i-область, порождая образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле ОПЗ, начинают двигаться к высоколегированным областям, создавая электрический ток, который может быть детектирован внешней цепью. Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения.
Величина обратного напряжения может достигать больших значений, при этом большее напряжение создает большее поле, которое вытягивает носители из ОПЗ i-области более быстро.
PIN-диоды для чайников. Часть 2
PIN-диод представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из сильнолегированных p + и n + областей и разделяющего их слаболегированного слоя – слоя собственной проводимости (intrinsic). Благодаря наличию этого слоя, т.н. «базы», pin-диод является плохим выпрямителем и находит применение в СВЧ-технике. В данной статье рассмотрены аспекты использования pin-диодов в СВЧ-схемах для практических применений, то есть только необходимые разработчику данные, чтобы максимально точно выполнить проектирование. Статья не претендует на сколько-либо научный труд, а является скорее справочником и сборником разрозненной информации о pin-диодах. Особое внимание уделено особенностям использования pin-диодов на высоком уровне СВЧ-мощности, таких как вопросы пробоя, влияния высокочастотного поля на режим работы диода и проблемы тепловыделения, которые являются ключевыми для разработчика мощных приборов.
Первую часть, посвященную общей информации о pin-диодах, можно прочитать тут.
Ограничения по входной СВЧ мощности
Условием стабильной работы диода в открытом состоянии является малое влияния высокочастотного тока на накопленный в базе заряд, то есть на проводимость диода. Суммарный заряд равен
отсюда видно, что необходимо соблюдение условия
В закрытом состоянии критическим является значение напряжения, возникающего на pin-диоде. Оно также складывается из постоянного запирающего напряжения и из пиковой амплитуды СВЧ-поля, которое различно для различных способов включения диода в схему. Надо отметить, что для работы в импульсном режиме надо рассматривать именно пиковое значение напряжения. Это суммарное значение напряжения не должно превышать пробойного, заявленного производителем или рассчитанного. Например, для кремния пробойным является напряжение 12В на мкм толщины базы, для арсенида галлия около 18 В/мкм. Карбид кремния же, в силу бОльшей ширины запрещенной зоны, обладает примерно в 10 раз бОльшей электрической прочностью. Именно поэтому можно делать диоды на карбиде кремния с тонкой базой, что увеличивает быстродействие диода.
Идеальным является случай, когда сумма СВЧ-напряжения на диоде и постоянного запирающего напряжения не превышает пробойного при отрицательной полуволне и не превышает 0 при положительной полуволне. Иначе диод будет пробит в первом случае, во втором же возрастают вносимые потери из-за появления проводимости. Это означает, что обратное запирающее напряжение должно быть как минимум равно амплитуде СВЧ-поля, что зачастую невозможно в мощных устройствах. Поэтому разработчики допускают превышение суммарного напряжения над 0 вольт при положительной полуволне, то есть допускают частичное открывание диода. Эта уступка связана с тем, что за время положительного суммарного напряжения на диоде он физически не успеет перейти в проводящее состояние, и база не успевает заполниться носителями заряда. Анализ этого эффекта в литературе освещен мало, поэтому разработчики обычно проводят экспериментальное исследование. Однако существует теоретическая модель, связанная с анализом накопленного в базе заряда, которая определяет минимальное допустимое значение обратного напряжения смещения
Время переключения
Время переключения между состояниями диода определяется процессами заполнения и рассасывания заряда в области базы. Переключение из открытого в закрытое состояние:
При таком переключении после включения обратного запирающего напряжения в цепи кратковременно протекает обратный ток IR– заряд уходит из базы. Чем сильнее ограничен ток в этой цепи, тем медленнее происходит переключение. Это означает, что время переключения не является собственным свойством диода.
Переключение из закрытого в открытое состояние TRF можно оценить по типичным данным, приведенным ниже. В основном оно зависит от толщины базы. Сам процесс переключения представляет собой наполнение базы носителями заряда.
Pin diode что это
Благодаря своей относительной простоте и большому числу замечательных свойств полупроводниковые p-i-n структуры уже с 50-х годов нашли широчайшее применение в конструкциях многих разновидностей полупроводниковых диодов, начиная от высоковольтных выпрямительных до фотодиодов и гетеролазеров.
В этих сферах pin-диоды практически не имеют конкурентов, а из-за фактической невозможности их совмещения на чипе с другими элементами не вытесняются и интегральными схемами.
В отечественной практике pin-диоды СВЧ-диапазона получили название переключательных и ограничительных (в зависимости от рода использования), в ВЧ-диапазоне их называют коммутационными и регулируемыми резистивными (для аттенюаторов). В зарубежной практике в их названии сохранен конструктивно-технологический маркер «PIN-Diodes».
В последнее время из-за резкого расширения производства средств связи, и в частности носимых переговорных устройств специального назначения, наблюдается непрестанное увеличение спроса на pin-диоды. По данным одного из ведущих зарубежных производителей, фирмы HEWLETT PACKARD, годовой прирост потребности в pin-диодах в последние 5 лет достигает 17–33 %, а по отдельным типономиналам и до 2-х раз. Подобная тенденция начинает наблюдаться и в нашей стране, причем характерно, что pin-диоды находят все большее применение не только в аппаратуре специального назначения, но и в коммерческой.
В связи с этим, заводом «ОПТРОН» был проведен комплекс конструкторско-технологических работ по совершенствованию pin-диодов, повышению их качества и принципиальной модернизации ряда типов.
Краткие характеристики pin-диода
Структура типичного pin-диода (рис. 1, а) характеризуется тем, что между двумя сильно легированными областями очень низкого сопротивления n+ и p+ находится активная базовая i-область с высоким удельным сопротивлением (типично ri > 100 омсм, и в ряде приборов вплоть до ri = 200–4000 омсм) и относительно большим временем жизни (электронов и дырок) заряда tэфф(
0,1–1,0 мкс). Толщина базы лежит в пределах wi=3–30 мкм, диаметр меза-структур ai=0,05–2,0 мм.
Рис. 1
2 p f i эфф >> 1 (1)
rобр= r i wi/si (2)
Значения rпр в номинальном режиме близки к величине
1 Ом; при изменении прямого тока величина rпр может изменяться в широких пределах по закону, близкому к
Uпроб = Eкр Wi(s) (5),
где Eкр — критическое поле, обычно принимается Eкр=2х10 5 В/см. Таким образом,
Uпроб = 20Wi(мкм) (5а)
Qнк = Iпр t эфф (6),
tас = Qнк/Iрас= t эфф Iпр/ Iрас (7),
где Iрас — обратной ток рассасывания; длительность второй фазы — восстановления обратного сопротивления — определяется дрейфовым процессом под действием поля в базе по порядку величина близка к
tвост = Wi/ m p,nUобр (8).
Pin-диоды, предлагаемые заводом «ОПТРОН»
Завод производит все перечисленные виды pin-диодов СВЧ- и ВЧ-диапазонов. Параметры переключательных диодов представлены в табл. 1, ограничительных — в табл. 2.
Таблица 1. СВЧ-переключательные pin-диоды
Таблица 2. СВЧ-ограничительные pin-диоды
| Тип прибора | Корпус | Пробивное напряжение, В | Рассеи- ваемая мощ- ность Р, Вт | Общая емкость Сд, пФ | Накопленный заряд Qнк/Iпр Нк/мА | Прямое сопротивление mp/Iпр Ом/мА |
| 2(К)А534А Б | КД-102 | 30-110 40-110 | 0,25 0,15 | 0,4-0,65 0,35-0,5 | 0,22-1,0/10 | 0,9-1,8/10 |
| 2(К)А522А-2 Б-2 | Б/к | 70 100 | 0,3 | 0,35-0,75 0,1-1,0 | 1/50 | 1,8/100 2,0/100 |
| 2(К)А550А-5 | Б/к | 100-180 | 5 | 0,2-0,6 | 0,3-1,0/20 | 0,6-1,0/100 |
Рис. 2
На рис.2 представлены некоторые типовые зависимости параметров от режимов измерения и эксплуатации (как видим, они вполне удовлетворительно подтверждают теоретические соотношения (4,6,7)).
Диоды предназначены для сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов; переключательные применяются в переключательных устройствах, модуляторах, фазовращателях, аттенюаторах; ограничительные — в устройствах ограничения и управления мощностью, защиты входных приемников и для тех же целей в составе герметизированных гибридных схем.
Одна из характерных особенностей современного интереса к СВЧ pin-диодам — это резкое увеличение спроса на бескорпусные приборы. Отметим, что завод «ОПТРОН» предлагает четыре основных разновидности бескорпусных приборов: в виде кристалла с контактными площадками без выводов; с гибкими ленточными выводами; на цилиндрическом металлическом держателе — теплоотводе и на керамическом держателе типа «кроватка».
Накопленный заводом производственный опыт, цикл технологических работ по совершенствованию эпитаксии и сборочных процессов позволяет по специальным соглашениям изготовлять приборы с параметрами, превосходящими, указанные в таблицах 1 и 2. В ряде случаев, напротив, задаваемые на тот или иной прибор параметры оказываются неопределенно завышенными или условия применения не требуют их двухстороннего ограничения. В этих случаях возможна, также по дополнительному соглашения, поставка приборов по сниженным ценам.
Для ВЧ-диапазона завод выпускает коммутационные pin-диоды: КД407А,2Д420А и регулируемые резистивные типов 2Д(КД)413А,Б и КД417А для применения в аттенюаторах радиоприемников и селекторов телевизионных каналов.
Приборы выпускаются в стеклянных корпусах с аксиальными выводами типа КД4 и КД1 (миниатюрный). Диапазон рабочих частот от 10 до 300 МГц, основные параметры приборов приведены в табл. 3. Графики рис. 3 свидетельствуют о том, что для использования в аттенюаторах могут отбираться приборы с очень широким динамическим диапазоном (до четырех порядков изменения rпр).
Таблица 3. ВЧ-переключательные pin-диоды
| Тип прибора | Корпус | Пробивное напряжение, В | Общая емкость Сд, пФ | Накопленный заряд Qнк/Iпр Нк/мА | Прямое сопротивление mp/Iпр Ом/мА |
| 2Д420А | КД4 | 24 | 1,5 | — | 1,0/10 |
| КД407А | КД4 | 24 | 1,5 | — | 1,0/10 |
| 2Д420А/* КД407А,Б,В | КД2 | 24-100 | 1,3-1,5 | — | 1,3-1,5/10 |
| 2(К)Д413А Б | КД1 | 30 | 0,7 | 2/20 | 30-60/2 40-80/2 |
| КД417А | КД1 | 24 | 0,4 | — | 25/2 |
Рис. 3
В целях повышения качества коммутационных pin-диодов разработан модернизированный аналог диодов КД407А/2Д420А в корпусе КД2. Эти приборы отличаются высокой температурной стабильностью параметров, повышенным обратным напряжением и могут поставляться по более низким ценам.
Pin diode что это
Я так представляю это как бы обычный диод только обратный ток он пропускает на третью ногу!? Этакая сверх быстрая релюшка.
Правильно!?
Какие есть диоды помощней?
И можно их ставить парралельно чтобы увеличить пропускную мощность обратного тока.
Сэр Мурр  | ||||
Карма: 46 |
| |||
| ||||
| dragonfly | ||||
Зарегистрирован: Пн май 04, 2009 08:49:12 | ||||
| ||||
| Сэр Мурр | ||||
Карма: 46 |
| |||
| ||||
| Света | ||||
Карма: 160 |
| |||
| ||||
| dragonfly | ||||
Зарегистрирован: Пн май 04, 2009 08:49:12 |
| |||
| ||||
| Света | ||||
Карма: 160 |
| |||
| ||||
| dragonfly | ||||
Зарегистрирован: Пн май 04, 2009 08:49:12 |
| |||
| ||||
