Оптический диод Нисидзавы: принцип работы и применение

Введение

Оптический диод, изобретенный Джун Ичи Нисизава.

PIN-диод – это диод с широкой, нелегированной внутренней полупроводниковой областью между полупроводником p-типа и полупроводниковой областью n-типа. Области p-типа и n-типа обычно сильно легированы, поскольку они используются для создания омических контактов. Широкая внутренняя область отличает PIN-диод от обычного p–n-диода. Эта широкая внутренняя область делает PIN-диод менее эффективным выпрямителем (одной из типичных функций диода), но при этом делает его подходящим для аттенюаторов, быстрых переключателей, фотодетекторов и применения в высоковольтной силовой электронике. Фотодиод PIN был изобретен Джун Ичи Нисизава и его коллегами в 1950 году. Это полупроводниковое устройство.

Операция

PIN-диод работает в режиме, известном как высокоуровневая инжекция. Иными словами, собственная "i"-область заполняется носителями заряда из "p"- и "n"-областей. Его работу можно сравнить с наполнением ведра с отверстием на боку. Как только вода достигнет уровня отверстия, она начнет вытекать. Аналогично, диод начнет проводить ток, когда концентрация инжектированных электронов и дырок достигнет точки равновесия, при которой число электронов будет равно числу дырок в собственной области. При прямом смещении концентрация инжектируемых носителей заряда обычно на несколько порядков превышает собственную концентрацию носителей. Благодаря этой высокоуровневой инжекции, которая, в свою очередь, обусловлена процессом обеднения, электрическое поле проникает глубоко (почти на всю длину) в область. Это электрическое поле способствует ускорению переноса носителей заряда из P-области в N-область, что обеспечивает более быстрое переключение диода и делает его подходящим для работы на высоких частотах.

Характеристики

PIN-диод подчиняется стандартному уравнению диода для низкочастотных сигналов. На более высоких частотах диод ведет себя как почти идеальный (очень линейный, даже при больших сигналах) резистор. PIN-диод характеризуется относительно большим объемом накопленного заряда, находящегося в толстом слое с собственной проводимостью. При достаточно низкой частоте накопленный заряд может быть полностью удален, и диод переходит в выключенное состояние. На более высоких частотах времени недостаточно для удаления заряда из области дрейфа, поэтому диод не выключается полностью. Время, необходимое для удаления накопленного заряда с диодного перехода, называется временем обратного восстановления, и оно относительно велико для PIN-диода. Для заданного полупроводникового материала, сопротивления в открытом состоянии и минимально используемой радиочастоты время обратного восстановления является фиксированным параметром. Это свойство может быть использовано: один из типов PIN-диодов, диод быстрого восстановления, использует резкое изменение импеданса в конце обратного восстановления для создания узкого импульса, полезного для умножения частоты с высоким коэффициентом. Высокочастотное сопротивление обратно пропорционально постоянному току смещения, протекающему через диод. Соответственно смещенный PIN-диод действует как переменный резистор. Это высокочастотное сопротивление может изменяться в широком диапазоне (от 0,1 Ом до 10 кОм в некоторых случаях, хотя полезный диапазон меньше). Широкий слой с собственной проводимостью также означает, что диод будет иметь низкую емкость при обратном смещении. В PIN-диоде обедненная область практически полностью расположена внутри слоя с собственной проводимостью. Эта обедненная область значительно больше, чем в PN-диоде, и ее размер практически не зависит от величины обратного напряжения, приложенного к диоду. Это увеличивает объем, в котором могут генерироваться электронно-дырочные пары под действием падающего фотона. Некоторые фотодетекторные устройства, такие как PIN-фотодиоды и фототранзисторы (в которых база-коллекторный переход представляет собой PIN-диод), используют PIN-переход в своей конструкции. Конструкция диода предполагает определенные компромиссы. Увеличение площади поперечного сечения слоя с собственной проводимостью увеличивает накопленный заряд, снижая высокочастотное сопротивление в открытом состоянии, но также увеличивает емкость обратного смещения и требуемый ток управления для удаления заряда за фиксированное время переключения, не влияя на минимальное время, необходимое для удаления заряда из I-области. Увеличение толщины слоя с собственной проводимостью увеличивает общий накопленный заряд, снижает минимальную радиочастоту и уменьшает емкость обратного смещения, но не уменьшает сопротивление в прямом направлении и увеличивает минимальное время, необходимое для удаления заряда дрейфа и перехода от низкого к высокому высокочастотному сопротивлению. Диоды коммерчески доступны в различных корпусах для конкретных радиочастотных диапазонов и применений.

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.

Приложения

PIN-диоды полезны в качестве RF-переключателей, аттенюаторов, фотодетекторов и фазовращателей.

Радиочастотные и микроволновые переменные аттенюаторы

Изменяя ток смещения через PIN-диод, можно быстро изменить его высокочастотное сопротивление. На высоких частотах PIN-диод выглядит как резистор, сопротивление которого обратно пропорционально его прямому току. Следовательно, PIN-диод может использоваться в некоторых конструкциях переменных аттенюаторов в качестве амплитудных модуляторов или схем выравнивания уровня выходного сигнала. PIN-диоды могут использоваться, например, в качестве мостовых и шунтирующих резисторов в мостовом Т-аттенюаторе. Другой распространенный подход – использование PIN-диодов в качестве оконечных сопротивлений, подключенных к 0-градусному и 90-градусному портам квадратурного гибрида. Сигнал, который необходимо ослабить, подается на входной порт, а ослабленный сигнал снимается с изоляционного порта. Преимущества этого подхода по сравнению с мостовыми Т- и пи-схемами заключаются в том, что (1) не требуется раздельное управление смещением для PIN-диодов – одно и то же смещение применяется к обоим диодам, и (2) потери в аттенюаторе равны возвратным потерям оконечных сопротивлений, которые могут изменяться в очень широком диапазоне.

Ограничители

ПИН-диоды иногда разрабатываются для использования в качестве устройств защиты входа для высокочастотных пробников и других схем. Если входной сигнал мал, ПИН-диод оказывает пренебрежимо малое влияние, представляя лишь небольшую паразитную емкость. В отличие от выпрямительного диода, он не проявляет нелинейного сопротивления на радиочастотах, что могло бы привести к возникновению гармоник и продуктов интермодуляции. Если сигнал велик, то когда ПИН-диод начинает выпрямлять сигнал, прямой ток заряжает дрейфовую область, а радиочастотное сопротивление устройства становится сопротивлением, обратно пропорциональным амплитуде сигнала. Это изменение сопротивления в зависимости от амплитуды сигнала может быть использовано для согласования некоторой предопределенной части сигнала с резистивной сетью, рассеивающей энергию, или для создания рассогласования импедансов, которое отражает падающий сигнал обратно к источнику. Последнее может быть объединено с изолятором – устройством, содержащим циркулятор, использующий постоянное магнитное поле для нарушения взаимности и резистивную нагрузку для разделения и поглощения отраженной волны. При использовании в качестве шунтирующего ограничителя ПИН-диод имеет низкий импеданс на протяжении всего радиочастотного цикла, в отличие от парных выпрямительных диодов, которые переключаются между высоким и низким сопротивлением в течение каждого цикла, ограничивая форму сигнала и не отражая его полностью. Время восстановления ионизации молекул газа, позволяющее создавать устройства защиты входа на основе искрового разряда большей мощности, в конечном итоге основано на аналогичных физических принципах, происходящих в газе.

Фотодетектор и фотоэлектрический элемент

Фотодиод PIN был изобретен Джун Ичи Нисизава и его коллегами в 1950 году. Фотодиоды PIN используются в сетевых картах и коммутаторах волоконно-оптических сетей. В качестве фотодетектора PIN-диод работает в режиме обратного смещения. При обратном смещении диод обычно не проводит ток (за исключением небольшого темнового тока или тока утечки Is). Когда фотон с достаточной энергией попадает в область обеднения диода, он генерирует пару электрон-дырка. Обратное смещение создает электрическое поле, которое разделяет эти носители заряда, генерируя ток. Некоторые детекторы могут использовать эффект лавинного умножения. Тот же механизм применим к PIN-структуре или p-i-n переходу солнечных элементов. В этом случае преимущество использования PIN-структуры по сравнению с традиционным полупроводниковым p–n переходом заключается в лучшей чувствительности к длинным волнам. При облучении длинноволновым излучением фотоны проникают глубоко в материал. Однако вклад в генерацию тока вносят только те пары электрон-дырка, которые образуются в области обеднения или вблизи нее. Область обеднения PIN-структуры простирается через всю внутреннюю область, глубоко внутрь устройства. Эта большая ширина области обеднения позволяет генерировать пары электрон-дырка на большой глубине, что повышает квантовую эффективность ячейки. Коммерчески доступные PIN-фотодиоды имеют квантовую эффективность выше 80–90% в диапазоне длин волн, используемых в телекоммуникациях (~1500 нм), и обычно изготавливаются из германия или InGaAs. Они характеризуются быстрым временем отклика (превосходящим аналоги на основе p–n переходов), достигающим нескольких десятков гигагерц, что делает их идеальными для высокоскоростных оптических телекоммуникаций. Аналогично, кремниевые PIN-фотодиоды обладают еще более высокой квантовой эффективностью, но способны детектировать только длины волн ниже ширины запрещенной зоны кремния, то есть ~1100 нм. Как правило, PIN-структуры используются в тонкопленочных солнечных элементах на основе аморфного кремния. С другой стороны, солнечные элементы на основе CdTe используют NIP-структуру, которая является модификацией PIN-структуры. В NIP-структуре внутренний слой CdTe заключен между слоями CdS, легированными n-типом, и ZnTe, легированными p-типом; фотоны падают на слой, легированный n-типом, в отличие от PIN-диода. PIN-фотодиод также может обнаруживать ионизирующее излучение при использовании в качестве полупроводникового детектора. В современных волоконно-оптических системах связи скорость оптических передатчиков и приемников является одним из важнейших параметров. Благодаря малой площади фотодиода снижается его паразитная (нежелательная) емкость. Пропускная способность современных PIN-фотодиодов достигает диапазона микроволновых и миллиметровых волн.

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.

Пример фотодиодов PIN

SFH203 и BPW34 – недорогие ПИН-диоды общего назначения в прозрачных пластиковых корпусах 5 мм с полосой пропускания более 100 МГц.