Жун Ичи Нишизаваның PIN диоды және оның қасиеттері
PIN diode
Жун Ичи Нишизаваның ойдағы PIN диоды – жартылай өткізгіш құрылғы, фотодетекторлар, қуат электроникасында қолданылады. Қазақстандағы электроника туралы ақпарат!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Джун Ичи Нишизава ойлап тапқан оптикалық диод. ПИН-диод – p типті жартылай өткізгіш пен n типті жартылай өткізгіш аймақтарының арасында кең, допталмаған ішкі жартылай өткізгіш аймағы бар диод. P және n типті аймақтар әдетте жоғары допингтелген, себебі олар омикалық контактілер үшін қолданылады. Кең ішкі аймақ, қарапайым p-n диодынан өзгеше. Кең ішкі аймақ ПИН-диодты нашар түзетушіге (диодтың әдеттегі функциясы) айналдырады, бірақ оны ослабғыштар, жылдам қосқыштар, фотодетекторлар және жоғары кернеулі қуат электроникасы салаларында қолдануға мүмкіндік береді. ПИН фотодиодын 1950 жылы Джун Ичи Нишизава және оның әріптестері ойлап тапты. Бұл жартылай өткізгіш құрылғы.
Optical diode invented by Jun Ichi Nishizawa
A PIN diode is a diode with a wide, undoped intrinsic semiconductor region between a p type semiconductor and an n type semiconductor region. The p type and n type regions are typically heavily doped because they are used for ohmic contacts. The wide intrinsic region is in contrast to an ordinary p–n diode. The wide intrinsic region makes the PIN diode an inferior rectifier (one typical function of a diode), but it makes it suitable for attenuators, fast switches, photodetectors, and high voltage power electronics applications. The PIN photodiode was invented by Jun Ichi Nishizawa and his colleagues in 1950. It is a semiconductor device.
Операция
PIN диоды жоғары деңгейлі инъекция деп аталатын режимде жұмыс істейді. Яғни, "i" аймағы "p" және "n" аймақтарынан заряд тасымалдаушылармен толып кетеді. Оның жұмысын суы бар, қабырғасында тесігі бар шелекке су құюмен салыстыруға болады. Су тесік деңгейіне жеткенде, ол төгіле бастайды. Сол сияқты, диод су басқан электрондар мен тесіктердің тепе-теңдік нүктесіне жеткенде ток өткізеді, онда ішкі аймақтағы электрондар саны тесіктер санына тең болады. Диод тікелей қосылғанда, инъекцияланған тасымалдаушылардың концентрациясы әдетте ішкі тасымалдаушылар концентрациясынан бірнеше есе артық болады. Бұл жоғары деңгейлі инъекция, өз кезегінде сарқылу процесіне байланысты, электр өрісінің аймақтың тереңіне (шамамен бүкіл ұзындығына) дейін созылуына себеп болады. Бұл электр өрісі P аймағынан N аймағына заряд тасымалдаушыларды жылдам тасымалдауға көмектеседі, нәтижесінде диодтың жұмысы жеделдеп, оны жоғары жиілікті жұмысқа қолайлы құрылғыға айналдырады.
A PIN diode operates under what is known as high level injection. In other words, the intrinsic "i" region is flooded with charge carriers from the "p" and "n" regions. Its function can be likened to filling up a water bucket with a hole on the side. Once the water reaches the hole's level it will begin to pour out. Similarly, the diode will conduct current once the flooded electrons and holes reach an equilibrium point, where the number of electrons is equal to the number of holes in the intrinsic region. When the diode is forward biased, the injected carrier concentration is typically several orders of magnitude higher than the intrinsic carrier concentration. Due to this high level injection, which in turn is due to the depletion process, the electric field extends deeply (almost the entire length) into the region. This electric field helps in speeding up of the transport of charge carriers from the P to the N region, which results in faster operation of the diode, making it a suitable device for high frequency operation.
Сипаттамалары
PIN диодтары төмен жиілікті сигналдар үшін стандартты диодтық теңдеуге сәйкес келеді. Жоғары жиіліктерде диод өте жақсы (өте сызықтық, тіпті үлкен сигналдар үшін) резистор сияқты көрінеді. PIN диодының қалың ішкі аймағында салыстырмалы түрде үлкен сақталған заряд болады. Жиілік жеткілікті төмен болса, сақталған зарядты толығымен жоюға болады және диод өшеді. Жоғары жиіліктерде дрейф аймағынан зарядты жоюға уақыт жетпейді, сондықтан диод ешқашан толық өшпейді. Диодтық қосылыстан сақталған зарядты жоюға қажетті уақыт – кері қалпына келтіру уақыты, және ол PIN диоды үшін салыстырмалы түрде ұзақ. Белгілі бір жартылай өткізгіш материал үшін, қосылыстың күйіндегі кедергі және қолданылатын ең төменгі радиожиілік жиілігі бойынша кері қалпына келтіру уақыты анықталады. Бұл қасиетті пайдалануға болады; PIN диодтарының бір түрі – қадамдық қалпына келтіру диоды, кері қалпына келтірудің соңындағы кедергінің күрт өзгеруін пайдаланып, жиілікті жоғары еселеуге арналған тар импульстік толқынды жасайды. Жоғары жиілікті кедергі диод арқылы өтетін тұрақты токқа кері пропорционал. Сәйкес бейтараптандырылған PIN диоды өзгермелі резистор ретінде әрекет етеді. Бұл жоғары жиілікті кедергі кең ауқымда өзгеруі мүмкін (кейбір жағдайларда 0,1 Ом-нан 10 кОм-ға дейін; бірақ пайдалы ауқым кішірек). Кең ішкі аймақ диодтың кері бағытта қосылғанда төмен сыйымдылығы болатынын білдіреді. PIN диодындағы деплеция аймағы дерлік толығымен ішкі аймақта орналасқан. Бұл деплеция аймағы PN диодына қарағанда әлдеқайда үлкен және диодқа қолданылатын кері кернеуге тәуелсіз, шамамен тұрақты. Бұл электрон-тесік жұптарының пайда болатын көлемін арттырады. Кейбір фотодетекторлар, мысалы PIN фотодиодтары және фототранзисторлар (олардың база-коллекторлық қосылысы PIN диоды болып табылады) құрылымында PIN қосылысын пайдаланады. Диодтың дизайнында кейбір компромистер бар. Ішкі аймақтың көлденең қимасының ауданын арттыру оның сақталған зарядын арттырады, сонымен қатар радиожиіліктің күйіндегі кедергісін азайтады, кері бағыттағы сыйымдылығын арттырады және белгіленген ауысу уақытында зарядты жою үшін қажетті басқару тогын арттырады, бірақ I аймағынан зарядты жою үшін қажетті ең аз уақытқа әсер етпейді. Ішкі аймақтың қалыңдығын арттыру жалпы сақталған зарядты арттырады, ең төменгі радиожиілік жиілігін төмендетеді және кері бағыттағы сыйымдылығын төмендетеді, бірақ алға бағыттағы радиожиілікті кедергіні төмендетпейді және дрейф зарядын жою және төменнен жоғары радиожиілікті кедергіге өту үшін қажетті ең аз уақытты арттырады. Диодтар нақты радиожиілікті жолақтар мен қолданулар үшін әртүрлі геометрияда сатылады.
The PIN diode obeys the standard diode equation for low frequency signals. At higher frequencies, the diode looks like an almost perfect (very linear, even for large signals) resistor. The P I N diode has a relatively large stored charge adrift in a thick intrinsic region. At a low enough frequency, the stored charge can be fully swept and the diode turns off. At higher frequencies, there is not enough time to sweep the charge from the drift region, so the diode never turns off. The time required to sweep the stored charge from a diode junction is its reverse recovery time, and it is relatively long in a PIN diode. For a given semiconductor material, on state impedance, and minimum usable RF frequency, the reverse recovery time is fixed. This property can be exploited; one variety of P I N diode, the step recovery diode, exploits the abrupt impedance change at the end of the reverse recovery to create a narrow impulse waveform useful for frequency multiplication with high multiples. The high frequency resistance is inversely proportional to the DC bias current through the diode. A PIN diode, suitably biased, therefore acts as a variable resistor. This high frequency resistance may vary over a wide range (from 0.1 Ω to 10 kΩ in some cases; the useful range is smaller, though). The wide intrinsic region also means the diode will have a low capacitance when reverse biased. In a PIN diode the depletion region exists almost completely within the intrinsic region. This depletion region is much larger than in a PN diode and almost constant size, independent of the reverse bias applied to the diode. This increases the volume where electron hole pairs can be generated by an incident photon. Some photodetector devices, such as PIN photodiodes and phototransistors (in which the base collector junction is a PIN diode), use a PIN junction in their construction. The diode design has some design trade offs. Increasing the cross section area of the intrinsic region increases its stored charge reducing its RF on state resistance while also increasing reverse bias capacitance and increasing the drive current required to remove the charge during a fixed switching time, with no effect on the minimum time required to sweep the charge from the I region. Increasing the thickness of the intrinsic region increases the total stored charge, decreases the minimum RF frequency, and decreases the reverse bias capacitance, but doesn't decrease the forward bias RF resistance and increases the minimum time required to sweep the drift charge and transition from low to high RF resistance. Diodes are sold commercially in a variety of geometries for specific RF bands and uses.
Қолданбалар
PIN диодтары радиожиілікті коммутаторлар, әлсіздеткіштер, фотодетекторлар және фаза өзгертетін құрылғылар ретінде қолданылады.
PIN diodes are useful as RF switches, attenuators, photodetectors, and phase shifters.
Қылмыстық радио және микротолқындық өзгермелі аттенюаторлар
ПИН-диод арқылы смещение тогын өзгерту арқылы оның радиожиіліктік кедергісін жылдам өзгертуге болады. Жоғары жиіліктерде ПИН-диод кедергісі оның тікелей тогына кері пропорционал кедергі ретінде көрінеді. Осының салдарынан ПИН-диодты кейбір өзгермелі аттенюаторлардың құрылысында амплитудалық модуляторлар немесе шығыс деңгейін теңеу тізбектері ретінде қолдануға болады. Мысалы, ПИН-диодтар көпкөзді Т-тәрізді аттенюатордағы көпкөзді және шунт резисторлары ретінде қолданылуы мүмкін. Тағы бір кең таралған тәсіл – ПИН-диодтарды 0 градус және 90 градус порттарына қосылған тоқтау тізбектері ретінде пайдалану. Бәсеңдетілуі тиіс сигнал кіріс портына беріледі, ал бәсеңдетілген нәтиже оқшаулау портынан алынады. Бұл тәсілдің көпкөзді Т- және пи-тәрізді тәсілдерге қарағанда артықшылықтары: 1) қосымша ПИН-диодты смещение драйверлері қажет емес – екі диодқа да бірдей смещение қолданылады, және 2) аттенюатордағы жоғалту тоқтау тізбектерінің кері жоғалтуына тең, оны өте кең диапазон ішінде өзгертуге болады.
By changing the bias current through a PIN diode, it is possible to quickly change its RF resistance. At high frequencies, the PIN diode appears as a resistor whose resistance is an inverse function of its forward current. Consequently, PIN diode can be used in some variable attenuator designs as amplitude modulators or output leveling circuits. PIN diodes might be used, for example, as the bridge and shunt resistors in a bridged T attenuator. Another common approach is to use PIN diodes as terminations connected to the 0 degree and 90 degree ports of a quadrature hybrid. The signal to be attenuated is applied to the input port, and the attenuated result is taken from the isolation port. The advantages of this approach over the bridged T and pi approaches are (1) complementary PIN diode bias drives are not needed—the same bias is applied to both diodes—and (2) the loss in the attenuator equals the return loss of the terminations, which can be varied over a very wide range.
Шектеушілер
PIN диодтары кейде жоғары жиілікті сынақ зондтары және басқа да тізбектер үшін кіріс қорғау құрылғылары ретінде қолданылады. Егер кіріс сигналы шағын болса, PIN диодының әсері ең аз болады, тек шағын паразиттік сыйымдылықты ұсынады. Түзетуші диодтан айырмашылығы, ол радиожиіліктерде сызықты емес кедергіні тудырмайды, бұл гармоникалар мен интермодуляция өнімдеріне әкеледі. Егер сигнал үлкен болса, PIN диоды сигналды түзетуді бастағанда, алға бағытталған ток дрейф аймағын зарядтайды және құрылғының ЖЖ кедергісі сигнал амплитудасына кері пропорционал кедергі болады. Осы сигнал амплитудасының өзгеретін кедергісі энергияны тарату үшін резистивтік желідегі сигналдың белгілі бір бөлігін тоқтатуға немесе сигналдың көзіне қарай қайтарылатын кедергілік сәйкессіздікті жасауға пайдаланылуы мүмкін. Соңғысы оқшаулағышпен біріктірілуі мүмкін, ол тұрақты магнит өрісін пайдаланатын циркуляторды қамтиды, бұл кері байланысты бұзуға және кері таралатын толқынды бөліп, тоқтатуға арналған кедергілік жүктемеге ие. Шант шектегіші ретінде қолданылғанда, PIN диоды ЖЖ циклы бойында төмен кедергіге ие, ал жұпталған түзетуші диодтар әр ЖЖ циклы кезінде жоғары кедергіден төмен кедергіге өтеді және толқынды толыққанды бейнелемейді. Газ молекулаларының иондануды қалпына келтіру уақыты, жоғары қуатты шұғынаның кіріс қорғау құрылғысын жасауға мүмкіндік береді, ақырында газдың ұқсас физикалық қасиеттеріне негізделген.
PIN diodes are sometimes designed for use as input protection devices for high frequency test probes and other circuits. If the input signal is small, the PIN diode has negligible impact, presenting only a small parasitic capacitance. Unlike a rectifier diode, it does not present a nonlinear resistance at RF frequencies, which would give rise to harmonics and intermodulation products. If the signal is large, then when the PIN diode starts to rectify the signal, the forward current charges the drift region and the device RF impedance is a resistance inversely proportional to the signal amplitude. That signal amplitude varying resistance can be used to terminate some predetermined portion the signal in a resistive network dissipating the energy or to create an impedance mismatch that reflects the incident signal back toward the source. The latter may be combined with an isolator, a device containing a circulator which uses a permanent magnetic field to break reciprocity and a resistive load to separate and terminate the backward traveling wave. When used as a shunt limiter the PIN diode is a low impedance over the entire RF cycle, unlike paired rectifier diodes that would swing from a high resistance to a low resistance during each RF cycle clamping the waveform and not reflecting it as completely. The ionization recovery time of gas molecules that permits the creation of the higher power spark gap input protection device ultimately relies on similar physics in a gas.
Фотодетектор және фотоэлектрлі элемент
PIN фотодиоды 1950 жылы Джун Ичи Нишизава және оның әріптестері тапқан. PIN фотодиодтары талшықты-оптикалық желілік карталар мен коммутаторларда қолданылады. Фотодетектор ретінде PIN диоды кері полярленген күйде жұмыс істейді. Кері полярленгенде диод әдетте ток өткізбейді (тек кішкентай қара тоқ немесе Is шығыны болғанда ғана). Диодтың азайту аймағына жеткілікті энергиясы бар фотон түскенде, электрон-тесік жұбы пайда болады. Кері полярленген өріс бұл заряд тасымалдаушыларды аймақтан шығарып, ток тудырады. Кейбір детекторлар лавиналық көбейтуді пайдалана алады. Осы механизм күн батареясының PIN құрылымына немесе p i n қосылысына да қатысты. Бұл жағдайда PIN құрылымын қолданудың дәстүрлі жартылай өткізгіш pn қосылысына қарағанда артықшылығы – ұзын толқынды жарыққа жақсы сезімталдығы. Ұзын толқынды сәулелену кезінде фотондар жасушаның тереңіне еніп барады. Бірақ ток тудыруға тек азайту аймағында және оның жанында пайда болған электрон-тесік жұптары ғана қатысады. PIN құрылымының азайту аймағы ішкі аймаққа, құрылғының тереңіне дейін созылады. Бұл кеңейтілген азайту ені құрылғының ішінде электрон-тесік жұптарының пайда болуына мүмкіндік береді, бұл жасушаның кванттық тиімділігін арттырады. Саудада қол жетімді PIN фотодиодтары телекоммуникациялық толқын ұзындығы диапазонында (~1500 нм) 80-90% жоғары кванттық тиімділікке ие және әдетте германийден немесе InGaAs-тан жасалады. Олардың реакция уақыты өте жылдам (p n аналогтарынан жоғары), ондаған гигагерцке жетеді, бұл оларды жоғары жылдамдықты оптикалық байланыс жүйелері үшін өте қолайлы етеді. Сол сияқты кремний PIN фотодиодтарының кванттық тиімділігі одан да жоғары, бірақ олар кремнийдің энергиялық саңылауынан төмен толқын ұзындығын ғана анықтай алады, яғни ~1100 нм. Көбінесе аморфты кремнийден жасалған жұқа пленкалық жасушалар PIN құрылымдарын қолданады. Ал CdTe жасушалары PIN құрылымының өзгеруі болып табылатын NIP құрылымын қолданады. NIP құрылымында ішкі CdTe қабаты n-типті CdS және p-типті ZnTe қабаттарының арасында орналасқан; фотондар PIN диодынан айырмашылығы, n-типті қабатқа түседі. PIN фотодиоды жартылай өткізгіш детектор ретінде қолданылса, иондаушы сәулеленуді де анықтай алады. Қазіргі заманғы талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінде оптикалық таратушылар мен қабылдағыштардың жылдамдығы ең маңызды параметрлердің бірі болып табылады. Фотодиодтың кішкентай бетінің арқасында оның паразиттік (керексіз) сыйымдылығы төмендейді. Қазіргі заманғы PIN фотодиодтарының өткізу қабілеті микротолқынды және миллиметрлік толқын диапазондарына жетеді.
The PIN photodiode was invented by Jun ichi Nishizawa and his colleagues in 1950. PIN photodiodes are used in fibre optic network cards and switches. As a photodetector, the PIN diode is reverse biased. Under reverse bias, the diode ordinarily does not conduct (save a small dark current or Is leakage). When a photon of sufficient energy enters the depletion region of the diode, it creates an electron hole pair. The reverse bias field sweeps the carriers out of the region, creating current. Some detectors can use avalanche multiplication. The same mechanism applies to the PIN structure, or p i n junction, of a solar cell. In this case, the advantage of using a PIN structure over conventional semiconductor p–n junction is better long wavelength response of the former. In case of long wavelength irradiation, photons penetrate deep into the cell. But only those electron hole pairs generated in and near the depletion region contribute to current generation. The depletion region of a PIN structure extends across the intrinsic region, deep into the device. This wider depletion width enables electron hole pair generation deep within the device, which increases the quantum efficiency of the cell. Commercially available PIN photodiodes have quantum efficiencies above 80 90% in the telecom wavelength range (~1500 nm), and are typically made of germanium or InGaAs. They feature fast response times (higher than their p n counterparts), running into several tens of gigahertz, making them ideal for high speed optical telecommunication applications. Similarly, silicon p i n photodiodes have even higher quantum efficiencies, but can only detect wavelengths below the bandgap of silicon, i. e. ~1100 nm. Typically, amorphous silicon thin film cells use PIN structures. On the other hand, CdTe cells use NIP structure, a variation of the PIN structure. In a NIP structure, an intrinsic CdTe layer is sandwiched by n doped CdS and p doped ZnTe; the photons are incident on the n doped layer, unlike in a PIN diode. A PIN photodiode can also detect ionizing radiation in case it is used as a semiconductor detector. In modern fiber optical communications, the speed of optical transmitters and receivers is one of the most important parameters. Due to the small surface of the photodiode, its parasitic (unwanted) capacitance is reduced. The bandwidth of modern pin photodiodes is reaching the microwave and millimeter waves range.
PIN фотодиодтарының мысалы
SFH203 және BPW34 – 100 МГц-тен аспайтын ені бар, 5 мм мөлдір пластик корпустағы арзан, жалпы қолданысқа арналған ПИН-диодтар.
SFH203 and BPW34 are cheap general purpose PIN diodes in 5 mm clear plastic cases with bandwidths over 100 MHz.