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.

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.

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.

Қолданбалар

PIN диодтары радиожиілікті коммутаторлар, әлсіздеткіштер, фотодетекторлар және фаза өзгертетін құрылғылар ретінде қолданылады.

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.

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.

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.

PIN фотодиодтарының мысалы

SFH203 және BPW34 – 100 МГц-тен аспайтын ені бар, 5 мм мөлдір пластик корпустағы арзан, жалпы қолданысқа арналған ПИН-диодтар.