Pin diode что это
Перейти к содержимому

Pin diode что это

  • автор:

What is PIN Diode : Construction, Working & Its Applications

We know that there are different types of diodes are used in different applications based on the requirement like Varactor diode, Schottky diode, LED, Zener diode, etc. Even though, the most popular diode including a basic PN- junction is also used in different circuits which are called a PIN diode. As compared with a normal PN junction diode, this kind of diode is different because this diode includes three layers like P, I & N whereas the PN junction diode includes two layers like P & N.

In this diode, there is a pure semiconductor material is available in between two layers P & N that is ‘I’ (intrinsic material of Si & Ge). Here, the two layers like P & N are extremely doped to function like ohmic contact whereas intrinsic layer ‘I’ works as an insulator so there is no flow of current through it. So, the structure of PIN is very useful in RF switching and photodiodes.

What is PIN Diode?

The full form of the PIN diode is, Positive-Intrinsic–Negative. PIN diode can be defined as the diode in which the high resistivity intrinsic layer ‘I’ is arranged in between the two layers of semiconductor material like P & N. In between these two layers, the intrinsic layer provides a high electric field that induces due to the charge carrier’s movement like electrons & holes. Here, the electric field direction will be from N to P-region.

This diode includes two terminals, namely anode, and cathode, known as positive and negative terminals. The symbol of the PIN diode is shown below.

PIN Diode Symbol

PIN Diode Symbol

The high electric field will produce huge pairs of electron holes because the diode will process even for the tiny signals. This diode is a kind of photodetector that is used to change the energy from light to electrical.

The layer ‘I’ between both the layers of P & N will increase the distance between them. If the distance between the two layers increases then their capacitance will be decreased. The PIN diode characteristic will increase their response time so that it can be used in microwave applications.

PIN Diode Construction

The construction of a PIN diode is shown below. This diode includes three layers like P-layer, an intrinsic layer, an n-layer. Here, the formation of the P-layer can be done through trivalent impurity doping toward the semiconductor. The n region can be formed by doping pentavalent impurity toward the semiconductor material. Here, the intrinsic semiconductor layer is not doped material.

PIN Diode Construction

PIN Diode Construction

The formation of PIN diode can be done through two methods namely planar structure otherwise mesa structure. In a planar structure, the A P+ region can be formed through a thin epitaxial layer by forcing it over the intrinsic layer. Likewise, the N+ region can also be formed over another face of the substrate. Here the intrinsic layer gives 0.1 Ω-m which is extremely high resistive. In the mesa structure, the semiconductor layers are doped previously on the intrinsic region. So that PIN diode can be constructed

PIN Diode Working

The working principle of a PIN diode is similar to a PN junction diode but the only difference is the intrinsic region. This region works like a depletion layer in between two layers like P & N. Once no exterior potential is applied to the PIN diode, then charge carriers will disperse across the junction due to the concentration gradient.

Therefore, the depletion region can be formed at NI- junction (N region & intrinsic region). As compared to N-region, the thickness of the ‘I’ region is higher because the n-region doping level is higher as compared to the ‘I’ region

Forward biased Condition

In a forward bias condition, when the voltage is applied to the PIN diode, then charge carriers in both the regions will be injected into the intrinsic layer.

So the applied forward potential will decrease the depletion width. Because of this, the resistance provided by this diode is no biased condition will start decreasing due to forward biasing. So, when the forward voltage is enhanced, a high number of charge carriers will be injected into the intrinsic layer.

Thus, generating a large current through the device will result in decreasing the resistance. Thus, in this biasing condition, this diode works as a variable resistance device.

Reverse Biased Condition

When the reverse bias voltage is supplied to the diode then the depletion width will start rising. When the reverse voltage is raised, then the depletion region width will increase until the carriers move away from the intrinsic layer. So, this specific voltage is called swept out voltage and generally, its value is -2V.

In this biasing, the diode works like a capacitor. Here both the regions like P & N serve like the capacitor’s two plates. In a high reverse bias case, a thin depletion layer can be observed within the P-layer.

PIN Diode Characteristics

The characteristics of the PIN diode include the following.

  • Low Capacitance
  • High breakdown voltage
  • Sensitive to photodetection
  • Charge carriers storage

A PIN diode provides less capacitance value because of the distance between two regions. Once a reverse potential is applied to the diode, then the depletion region will completely be depleted. Once this region is depleted, then the capacitance does not demonstrate change through the potential applied because of the small amount of charge within the intrinsic layer.

Because of the intrinsic region, this diode shows a maximum breakdown voltage value which is necessary to wipe out the wide depletion region. The depletion layer is accountable to produce energy once radiation drops on its exterior. The intrinsic region occurrence will improve the region for the absorption of radiation. Therefore, these are extensively used like photodetectors.

The storage of charge carriers will be enhanced through the intrinsic region. The charge which is stored within the depletion region is accountable for the sum of current supply throughout the circuit. Once forward biasing is applies to this diode, the diode will show the characteristics of uneven resistance because the resistance changes through the input voltage applied to it & it does not generate rectification & distortion.

Advantages

The advantages of the PIN diode include the following.

  • Less noise
  • Frequency response is good
  • High reverse voltages to be accepted
  • Less dark current
  • Linear
  • The depletion region is large
  • Used as a variable resistance device
  • The bias voltage is less
  • Junction capacitance is low
  • The response speed is high
  • Responsive to the light

Disadvantages

The disadvantages of PIN diode include the following.

  • Less active area
  • Reverse recovery time is high because of power loss
  • Response time is not fast
  • Less sensitivity
  • There is no internal gain
  • Temperature-dependent
  • In dark current, it increases rapidly
  • Needs amplification at less illumination region

Applications

The applications of PIN diode include the following.

  • The PIN diode applications involved a wide range like frequency switch, microwave attenuator, radiofrequency attenuator, photodetector, microwave switch, etc
  • These kinds of diodes are used for detecting X-rays as well as gamma rays.
  • PIN diodes are utilized in the RF, microwave switches, variable attenuators because they have less capacitance.
  • These diodes are applicable in photovoltaic cells, Photodetectors, switches, and fiber-optic network cards.
  • Used in RF protection circuits, an RF switch, high voltage rectifier, photodetector.

PIN Diode Circuit

A PIN diode is used like a current-controlled resistor at microwave & RF frequencies. When the diode is forward biased, the resistance can range from a division of an ohm otherwise ON and above 10 kΩ once it is reverse biased otherwise off. Compared to PN junction diodes, these diodes include an extra resistive intrinsic semiconductor material layer between two materials like P-type & N-type. Once a PIN diode is connected in forwarding bias, then majority charge carriers from p-type & N-type are injected into the intrinsic area.

PIN Diode Circuit

PIN Diode Circuit

These charge carriers cannot recombine immediately; the fixed amount of time necessary for them to recombine is known as the lifetime of the carrier. So this can cause a net stored energy within the intrinsic region, decreasing the resistance value and assigned as RS.

Once the diode is connected in reverse bias, and then the PIN diode will come into view like a large resistance ‘RP’ that is shunted through a CT capacitance. By changing the diode geometry, it is possible to change PIN diodes to have different RS & CT combinations to meet the requirements of different frequency ranges as well as circuit applications.

Thus, this is all about an overview of PIN Diode and its working with applications. These diodes are used in various fields like RF switch, RF attenuator, microwave switch, photodetector, microwave attenuator, photovoltaic cell, fiber optic network cards, etc. Here is a question for you, what are the different types of PIN diode?

PIN-диоды для чайников. Часть 1

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.

Режимы работы pin-диода

В этом состоянии через него протекает постоянный ток IF, а внешнее воздействие называется прямым смещением. Зная падение напряжения UDC на диоде (

1 В), необходимо резистором ограничить ток в цепи смещения. Для такого включения диода положительный контакт источника должен быть подключен к аноду диода. В таком состоянии диод представляет собой постоянный резистор RS (

1 Ом) для СВЧ тока. Существует зависимость RS от величины IF и она носит обратно пропорциональный характер, а наличие этой зависимости позволяет использовать диод как электрически управляемый аттенюатор. Область собственной проводимости заполнена носителями заряда, которые имеют некоторое конечное время жизни т. Важно, чтобы период колебаний СВЧ-поля был меньше этого времени, тогда высокочастотное поле не будет влиять на режим работы диода. Также в ряде случаев можно учесть паразитные емкости и индуктивности корпуса или просто индуктивности выводов L диода. Они могут быть либо измерены, либо предоставлены производителем.

К аноду приложено отрицательное напряжение, ток через диод не течет, за исключением тока утечки IR (

мкА). Носители заряда в базе отсутствуют. Диод представляет собой плоскопараллельный конденсатор, обкладками которого являются p и n области, а диэлектриком – база. Для СВЧ-поля диод в таком состоянии является емкостью, то есть имеет большое реактивное сопротивление, уменьшающееся с ростом частоты и самого значения емкости:

Кроме того, параллельно емкости включен резистор RP (

кОм), который определяет потери СВЧ-энергии. Иногда в литературе этот резистор рассматривают как включенный последовательно емкости, и тогда он имеет величину, примерно равную RS.

При нулевом смещении на диоде в базе присутствует объемный заряд, который рассасывается при увеличении отрицательного напряжения. Тогда же и емкость стремится к своему конечному значению и после некоторого момента перестает зависеть от значения отрицательного напряжения. В зависимости от конструкции диода емкость может достигать «насыщения» как при единицах вольт отрицательного напряжения смещения, так и нескольких нескольких десятках вольт. В отличие от емкости, величина параллельного резистора увеличивается при увеличении обратного напряжения на диоде.

Основные параметры pin-диодов

Толщина базы W, мкм

Паразитные параметры корпуса/выводов (обычно учитывают только индуктивность выводов L, нГн). В дальнейшем рассматриваться не будут, так как необходимы на этапе подробного компьютерного моделирования

Тепловое сопротивление θ, °С/Вт. Определяет нагрев диода при выделении на нем мощности, как СВЧ, так и мощности цепей управления

Максимальная температура кристалла диода

Для открытого состояния

Последовательное сопротивление RS, Ом

Время жизни носителей заряда в базе τ (

нс). Зависит от толщины базы и концентрации носителей

Для закрытого состояния

Емкость C, пФ. Типичные значения 0,01 – 1 пФ

Максимальное обратное напряжение VB – напряжение пробоя. Определяется типом полупроводника и толщиной базы

Обратное сопротивление RP, кОм

Частотные ограничения работы pin-диода

Модуляция режима работы диода СВЧ-волной в данном режиме отсутствует, при условии, что рабочая частота превышает критическую частоту, равную

Физически это означает, что носители заряда из-за своей инерционности просто не успевают реагировать на изменение СВЧ-поля. При этом и время жизни зарядов, и время переключения диода из одного состояния в другое превышают период волны. Иногда считают, что частота СВЧ-волны должна превышать величину 10/t.

Для данного режима работы диода существуют две критических частоты: снизу

где r и e — параметры базы (релаксационная частота диэлектрика), а сверху — резонансной частотой емкости закрытого диода и индуктивности L выводов.

Тепловое ограничение работы pin-диода

Ключевым моментом работы диода в открытом состоянии является тепловыделение на нем. Мощность, которую необходимо рассеять, складывается из двух составляющих: постоянного тока цепи смещения PDC = UDC x IF и потерь СВЧ-энергии из-за потерь на RS (I 2 RF x RS). Второе для разных вариантов включения диода в СВЧ-схему рассчитывается по-разному. Эти две составляющие в сумме не должны превышать максимальной рассеиваемой мощности диода и допускать его перегрева. При работе в импульсном режиме необходимо создать такие условия, чтобы диод после прохождения импульса успел остыть за то время, когда импульса нет. Из всех широко применяемых полупроводников худшей теплопроводностью обладает арсенид галлия, поэтому вопрос теплоотвода является одним из ключевых при работе с ним.

Зная тепловое сопротивление диода, можно рассчитать его нагрев исходя из рассеиваемой на нем мощности. Данная температура не должна превышать максимальной для данного типа полупроводника или заданной производителем. Например, для кремния максимальная неразрушающая температура равна примерно 150°С, для карбида кремния – до 500°С. Рассчитана рабочая температура диода может быть так:

где TA – температура окружающей среды или радиатора.

Иногда при работе диода в импульсном режиме используют понятие импульсного теплового сопротивления. Она может быть подставлена в формулу, приведенную выше. Эта характеристика должна быть предоставлена производителем и представлять собой семейство зависимостей θ от времени импульса при различных скважностях. Если такой характеристики нет, то для импульсного режима можно использоваться следующее выражение:

где tИМП – длительность импульса, tПЕР – период повторения импульса, tВР – временная температурная постоянная. Последняя может быть рассчитана как сумма температурных постоянных отдельных слоев (пьедестала, полупроводника, платы и т.п.):

где r – плотность материала, C – удельная теплоемкость (Дж/г×°С), K – теплопроводность (Вт/см×°С), l – толщина слоя, см.

Использованная литература

Microsemi corp. The PIN diode circuit designers’ handbook.

Skyworks solution inc. Design with PIN diodes.

О.Г.Вендик, М.Д.Парнес. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию).

Г.С.Хижа, И.Б.Вендик, Е.А.Серебрякова. СВЧ фазовращатели и переключатели.

Г.Уотсон. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение.

А.В.Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых приборах.

СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под редакцией И.В.Мальского и Б.В.Сестрорецкого.

R.Caverly and G.Hiller. Establishing the minimum reverse bias for a p-i-n diode in a high-power switch.

Н.Т.Бова, Ю.Г.Ефремов, В.В.Конин. Микроэлектронные устройства СВЧ.

MA-COM tech. Comparison of Gallium Arsenide and Silicon PIN diodes for High Speed Microwave Switches.

Что такое фотодиод PIN? | Это 5+ Важное использование и характеристики

Фотодиод — это диод с PN переходом, работающий в режиме обратного смещения. Как следует из названия, PIN-фотодиод — это особый тип фотодиода, в котором внутренний слой помещен между сильно легированным слоем p-типа и сильно легированным слоем n-типа. Поскольку удельное сопротивление уменьшается с увеличением примеси и наоборот, p- и n-слои имеют очень низкое удельное сопротивление, в то время как удельное сопротивление в слое I очень высокое. PIN-фотодиод имеет большую область истощения, которая используется для приема света.

PIN Фотодиод

«Вот фотодиод!» by тобо под лицензией CC BY-SA 2.0

PIN Фотодиод Символ

PIN Символ фотодиода

Символическое представление PIN-фотодиода такое же, как и у стандартного диода с pn переходом, за исключением стрелок, направленных вниз над диодом, которые указывают на свет.

ПИН-код Структура фотодиода

Структура фотодиода PIN

PIN-фотодиод состоит из трех слоев: p-слоя, I или внутреннего слоя и n-слоя. P-слой легирован трехвалентной примесью, а N-слой легирован пятивалентной примесью. I-слой не легирован или легирован очень слабо. Клемма P действует как анод, а клемма N действует как катод. В отличие от общего PN переходный диод, ширина собственного слоя в PIN-фотодиоде больше.

  • Планарная структура: В этом типе структуры тонкая эпитаксиальная пленка изготавливается на p-слое.
  • Структура Mesa: В этом типе структуры уже легированные полупроводниковые слои выращиваются на собственном слое.

Схема PIN фотодиода

Принципиальная схема PIN фотодиода

ПИН-фотодиод работает как фотоприемник только при обратном смещении. Анод соединен с отрицательной клеммой аккумулятора. Положительная сторона батареи подключена к катоду через резистор.

Работа штыревого фотодиода | Принцип работы фотодиода PIN

  • Когда к устройству прикладывается обратное смещение, область истощения начинает расширяться в собственном слое. Ширина продолжает увеличиваться, пока не достигнет толщины I слоя.
  • В результате область истощения освобождается от каких-либо мобильных носителей заряда. Так что ток не течет. В этот момент рекомбинация электронов и дырок в обедненной области не происходит.
  • Когда свет достаточно энергии ( час? ≥запрещенная энергия полупроводника) попадает в I-область, каждый поглощенный фотон порождает одну электронно-дырочную пару. Эти пары испытывают сильную силу из-за барьерного электрического поля, присутствующего в обедненной области. Эта сила разделяет пары, и носители заряда движутся в противоположных направлениях, и возникает ток. Таким образом оптическая энергия преобразуется в электрическую.
  • Поскольку ток генерируется из световой энергии, он называется фототок и написано как Ip.

Характеристики фотодиода PIN

  • Удельное сопротивление: Он предлагает низкое удельное сопротивление в слоях P и N (менее 1кОм / см) и высоким удельным сопротивлением в слое I (до 100 кОм / см)
  • Емкость: Поскольку емкость обратно пропорциональна зазору между слоями P и N, емкость этого фотодиода ниже, чем у стандартного диода.

Куда ?0= диэлектрическая проницаемость свободного пространства

?r= диэлектрическая проницаемость полупроводника

A = площадь внутреннего слоя

d = ширина области истощения

  • Напряжение пробоя: Собственный слой расширяет обедненную область, из-за чего напряжение пробоя очень велико.
  • Течение тока: Ток прямо пропорционален количеству света, падающего на детектор.
  • Условие прямого смещения: Если он работает в режиме прямого смещения, ширина обедненного слоя уменьшается, и ток течет. В этом случае диод ведет себя как переменный резистор.
  • Квантовая эффективность (?): Это относится к количеству электронно-дырочных пар, генерируемых на фотон, имеющий энергию h?
  • Отзывчивость: Он измеряет выходное усиление на вход (фотон).

Режимы работы в фотодиоде PIN

Он имеет в основном два режима работы:

  • Беспристрастный фотоэлектрический режим
  • Обратно-смещенный фотопроводящий режим

Кривые IV фотодиода PIN

Схема контактов фотодиода

Конфигурация контактов

Конфигурация контактов фотодиода

3-контактный фотодиод

3-контактный фотодиод

Si PIN фотодиод
кредит изображения: ХАМАМАЦУ инструменты

Трехконтактные фотодиоды — это высокоскоростные кремниевые фотодиоды с PIN-кодом, специально разработанные для обнаружения ближнего инфракрасного света. При низком смещении эти устройства обеспечивают широкополосные характеристики, что позволяет использовать их для оптической связи и другой фотометрии.

Шум в фотодиоде PIN

Шум относится к любому нежелательному возникновению или ошибке в полученном информационном сигнале. Это совокупность мешающих энергий, исходящих из разных источников.

Ниже приведены шумы, относящиеся к общему шуму фотодиода:

  • Квантовый или дробовой шум
  • Шум темнового тока
  • Тепловой шум

В то время как первые два типа шумов генерируются из-за статистической природы процедуры преобразования фотонов в электроны, тепловой шум связан со схемой усилителя.

Квантовый или дробовой шум:

Это происходит из-за протона в процессе преобразования электронов. Здесь следует процесс Пуассона. Среднеквадратичное значение дробового шума iq на фототоке яp является,

Где q = заряд электрона

B = пропускная способность

Шум темнового тока:

Темновой ток — это ток, который протекает по цепи, когда на фотодетектор не падает свет. Он состоит из двух основных компонентов: объемный шум темнового тока и поверхностный шум утечки тока. Объемный темновой ток является результатом термически генерируемых дырок и электронов в PN-переходе.

Среднеквадратичное значение объемного шума темнового тока idb на темном течении яd является,

Среднеквадратичное значение шума поверхностного тока утечки ids от поверхностного тока утечки iL является,

Тепловой шум:

Его еще называют шумом Джонсона. Тепловой шум нагрузочного резистора намного выше теплового шума усилителя, поскольку сопротивление нагрузки имеет меньшее значение, чем сопротивление усилителя.

Следовательно, среднеквадратичное значение теплового шума ir за счет сопротивления нагрузки RL

Где КB= Постоянная Больцмана

T = абсолютная температура

B = пропускная способность

Фотодиод с PIN-кодом InGaAs

InGaAs (арсенид индия-галлия) представляет собой сплав арсенида индия и арсенида галлия. Арсенид галлия может эффективно преобразовывать электричество в когерентный свет.

InGaAs PIN-фотодиод или фотодетекторы — это оптоэлектронные устройства, способные обеспечить очень высокую квантовую эффективность, которая может варьироваться от 800 до 1700 нм. Они обладают низкой емкостью в расширенной полосе пропускания, высокой линейностью, высокой чувствительностью из-за повышенного сопротивления, низким темновым током и однородностью по активной области детектора. Все эти характеристики помогают повысить гибкость и предлагают широкий спектр приложений.

GaAs PIN фотодиод

GaAs (арсенид галлия) — это полупроводник, который имеет более высокую подвижность электронов и более высокую скорость электронов, чем кремний. Он может работать на очень высоких частотах.

ПИН-фотодиоды на основе GaAs используются для регистрации оптических сигналов на длине волны 850 нм. Он имеет большую зону активации, что обеспечивает стабильный и чувствительный отклик. Его также можно использовать в оптических телекоммуникациях в качестве оптических приемников, в испытательных машинах и т. Д. Фотодиоды на основе GaAs обеспечивают быстрый отклик, низкий темновой ток и высокую надежность.

PIN Фотодиодный детектор

Фотоприемник служит для преобразования светового сигнала в электрический сигнал, их усиления и дальнейшей обработки. В волоконно-оптических системах фотодетектор является важным элементом. Полупроводниковые фотодиоды являются одними из наиболее широко используемых детекторов, поскольку они обладают отличными характеристиками, небольшими размерами и низкой стоимостью.

Пример: фотодиод из арсенида галлия, фотодиод из арсенида галлия индия и т. Д.

PIN Фотодиод в оптической связи

  1. Внешний эффект: ФЭУ или фотоэлектронные умножители
  2. Внутренний эффект: фотодиоды с PN-переходом, PIN-фотодиоды, лавинные фотодиоды

Принцип фотодетекции:

  • Происходит фотогенерация электронно-дырочной пары
  • ПИН-переход смещен в обратном направлении.
  • В области истощения наблюдается дрейф носителей
  • Электронно-дырочная пара движется в противоположном направлении и вызывает фототок.

PIN Фотодиодный детектор излучения | ПИН-фотодиодный гамма-детектор

Фотодиоды PIN способны обнаруживать отдельные фотоны в гамма-излучении. PIN-фотодиод, компаратор и четыре малошумящих операционные усилители вместе используются в этом процессе.

В условиях обратного смещения, когда фотоны попадают в обедненную область, они создают небольшой заряд, прямо пропорциональный энергии фотонов. Результирующий сигнал получает усиливается и фильтруется операционными усилителями. Компаратор различает сигнал и шум. Конечный результат компаратора показывает высокий импульс каждый раз, когда гамма-фотон с минимально необходимой энергией попадает на PIN-фотодиод.

PIN Фотодиодный приемник

Оптические приемники отвечают за преобразование оптической энергии в электрическую. Наиболее важным элементом оптического приемника является фотодиод.

Приемник должен сначала обнаружить искаженные, слабые сигналы, а затем, основываясь на усиленной версии этого сигнала, решить, какой тип данных был отправлен. Ошибки, поступающие из различных источников, могут быть связаны с сигналом. Таким образом, сигналы должны контролироваться и обрабатываться с максимальной точностью, поскольку учет шума является важным фактором в конструкции приемника.

Кремниевый PIN-фотодиод

Кремниевые или Si PIN-фотодиоды могут использоваться в различных приложениях. Благодаря структуре PIN он обеспечивает быстрый отклик и высокую квантовую частоту для обнаружения фотонов. Они способны обнаруживать свет в диапазоне от 250 нм до 1.1 мкм. Он обнаруживает высокоэнергетическое излучение на высоких частотах. Ширина обедненной области варьируется от 0.5 до 0.7 мм.

Детектор фотодиодов Si PIN

В ПИН-фотодиодах обедненная область практически совпадает с собственным слоем. Генерация носителей заряда происходит за счет падающего излучения.

Наряду со световым излучением, гамма-излучение, рентгеновское излучение, частицы тоже могут генерировать носители заряда.

Когда фотоны встречаются с металлическим контактом диода, возникает большое количество электронно-дырочных пар. Электроды собирают их, и генерируется сигнал. Электронно-дырочные пары, которые более подвижны, помогают получать легко обнаруживаемые сигналы. Затем они обрабатываются малошумящим усилителем, и анализатор определяет количество излучения от импульсов.

ПИН-код фотодиодной матрицы

Матрицы фотодиодов обычно используются в рентгеновских аппаратах, сканируя объект на изображении построчно. Рентгеновские лучи преобразуются в свет через кристалл сцинтиллятора. Затем фотодиод измеряет интенсивность света.

Высокоскоростной PIN-фотодиод

Высокоскоростные PIN-фотодиоды предпочтительны из-за их точного срабатывания по мощности сигнала, повышенной чувствительности, низкого рабочего напряжения и широкой полосы пропускания.

ПИН-кодовый фотодиодный усилитель

Операционные усилители используются с резистором обратной связи для преобразования фототока в измеряемое напряжение. Его также называют трансимпедансным усилителем.

Применение штыревого фотодиода

  • ‌Высоковольтный выпрямитель: Внутренний слой обеспечивает большее разделение между областями P и N, что позволяет выдерживать более высокие обратные напряжения.
  • Радиочастотные и управляемые постоянным током микроволновые переключатели: Собственный слой увеличивает расстояние между слоями P и N. Это также уменьшает емкость, тем самым увеличивая изоляцию в условиях обратного смещения.
  • Фотоприемник и фотоэлементы: В области истощения происходит легкий текущий разговор. Чем больше ширина внутреннего слоя, тем выше эффективность улавливания света.
  • ВЧ и регулируемые аттенюаторы
  • ‌Схема модулятора RF
  • ‌МРТ

Преимущества и недостатки фотодиода с PIN-кодом

Преимущества фотодиода PIN

  • ‌Он имеет высокую светочувствительность.
  • ‌Скорость отклика высокая.
  • ‌Его пропускная способность широкая.
  • ‌Стоимость внедрения низкая.
  • ‌Издает низкий уровень шума.
  • ‌Температурная чувствительность низкая.
  • ‌Маленький размер.
  • ‌ Долговечность лучше стандартных диодов.

PIN-фотодиод Недостатки

  • ‌Он может работать только в режиме обратного смещения.
  • ‌Приложение должно быть низким..
  • ‌Он чувствителен к любому свету.
  • ‌Температурные характеристики должны соблюдаться..

Часто задаваемые вопросы

Какое использование полярной емкости в фотоприемнике PIN?

Полярная емкость означает конденсатор пластины представляют собой электроды, имеющие положительную и отрицательную полярность. В фотодетекторе PIN слои P и N действуют как электроды, а ширина обедненного слоя огромна; значение емкости низкое. Из-за низкой емкости скорость улучшается.

В чем преимущество фотодиода с PIN-кодом?

У него высокая чувствительность, низкий уровень шума, широкая полоса пропускания, низкая стоимость внедрения. подробное объяснение находится в верхнем разделе.

Что означает I в PIN-коде «Фотодиод»?

I в PIN-коде фотодиод означает внутренний слой.

В чем разница между обычным фотодиодом и фотодиодом с PIN-кодом?

Увеличенный внутренний слой делает PIN-фотодиоды способными пропускать больший ток, а также улучшает частотную характеристику. Подробное объяснение находится в верхнем разделе.

Каковы недостатки ПИН-фотодиода?

Он очень светочувствителен и может работать только при обратном смещении.

Что такое фотодиод и его символ?

Фотодиод — это полупроводник, преобразующий световую энергию в электрическую.

Парсер Хабра

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.

Режимы работы pin-диода

В этом состоянии через него протекает постоянный ток IF, а внешнее воздействие называется прямым смещением. Зная падение напряжения UDC на диоде (

1 В), необходимо резистором ограничить ток в цепи смещения. Для такого включения диода положительный контакт источника должен быть подключен к аноду диода. В таком состоянии диод представляет собой постоянный резистор RS (

1 Ом) для СВЧ-поля. Существует зависимость RS от величины IF и она носит обратно пропорциональный характер, а наличие этой зависимости позволяет использовать диод как электрически управляемый аттенюатор. Область собственной проводимости заполнена носителями заряда, которые имеют некоторое конечное время жизни т. Важно, чтобы период колебаний СВЧ-поля был меньше этого времени, тогда высокочастотное поле не будет влиять на режим работы диода. Также в ряде случаев можно учесть паразитные емкости и индуктивности корпуса или просто индуктивности выводов L диода. Они могут быть либо измерены, либо предоставлены производителем.

К аноду приложено отрицательное напряжение, ток через диод не течет, за исключением тока утечки IR (

мкА). Носители заряда в базе отсутствуют. Диод представляет собой плоскопараллельный конденсатор, обкладками которого являются p и n области, а диэлектриком – база. Для СВЧ-поля диод в таком состоянии является емкостью, то есть имеет большое реактивное сопротивление, уменьшающееся с ростом частоты и самого значения емкости:

Кроме того, параллельно емкости включен резистор RP (

кОм), который определяет потери СВЧ-энергии. Иногда в литературе этот резистор рассматривают как включенный последовательно емкости, и тогда он имеет величину, примерно равную RS.

При нулевом смещении на диоде в базе присутствует объемный заряд, который рассасывается при увеличении отрицательного напряжения. Тогда же и емкость стремится к своему конечному значению и после некоторого момента перестает зависеть от значения отрицательного напряжения. В зависимости от конструкции диода емкость может достигать «насыщения» как при единицах вольт отрицательного напряжения смещения, так и нескольких нескольких десятках вольт. В отличие от емкости, величина параллельного резистора увеличивается при увеличении обратного напряжения на диоде.

Основные параметры pin-диодов

Толщина базы W, мкм

Паразитные параметры корпуса/выводов (обычно учитывают только индуктивность выводов L, нГн). В дальнейшем рассматриваться не будут, так как необходимы на этапе подробного компьютерного моделирования

Тепловое сопротивление θ, °С/Вт. Определяет нагрев диода при выделении на нем мощности, как СВЧ, так и мощности цепей управления

Максимальная температура кристалла диода

Для открытого состояния

Последовательное сопротивление RS, Ом

Время жизни носителей заряда в базе τ (

нс). Зависит от толщины базы и концентрации носителей

Для закрытого состояния

Емкость C, пФ. Типичные значения 0,01 – 1 пФ

Максимальное обратное напряжение VB – напряжение пробоя. Определяется типом полупроводника и толщиной базы

Обратное сопротивление RP, кОм

Частотные ограничения работы pin-диода

Модуляция режима работы диода СВЧ-волной в данном режиме отсутствует, при условии, что рабочая частота превышает критическую частоту, равную

Физически это означает, что носители заряда из-за своей инерционности просто не успевают реагировать на изменение СВЧ-поля. При этом и время жизни зарядов, и время переключения диода из одного состояния в другое превышают период волны. Иногда считают, что частота СВЧ-волны должна превышать величину 10/t.

Для данного режима работы диода существуют две критических частоты: снизу

где r и e — параметры базы (релаксационная частота диэлектрика), а сверху — резонансной частотой емкости закрытого диода и индуктивности L выводов.

Тепловое ограничение работы pin-диода

Ключевым моментом работы диода в открытом состоянии является тепловыделение на нем. Мощность, которую необходимо рассеять, складывается из двух составляющих: постоянного тока цепи смещения PDC = UDC x IF и потерь СВЧ-энергии из-за потерь на RS (I 2 RF x RS). Второе для разных вариантов включения диода в СВЧ-схему рассчитывается по-разному. Эти две составляющие в сумме не должны превышать максимальной рассеиваемой мощности диода и допускать его перегрева. При работе в импульсном режиме необходимо создать такие условия, чтобы диод после прохождения импульса успел остыть за то время, когда импульса нет. Из всех широко применяемых полупроводников худшей теплопроводностью обладает арсенид галлия, поэтому вопрос теплоотвода является одним из ключевых при работе с ним.

Зная тепловое сопротивление диода, можно рассчитать его нагрев исходя из рассеиваемой на нем мощности. Данная температура не должна превышать максимальной для данного типа полупроводника или заданной производителем. Например, для кремния максимальная неразрушающая температура равна примерно 150°С, для карбида кремния – до 500°С. Рассчитана рабочая температура диода может быть так:

где TA – температура окружающей среды или радиатора.

Иногда при работе диода в импульсном режиме используют понятие импульсного теплового сопротивления. Она может быть подставлена в формулу, приведенную выше. Эта характеристика должна быть предоставлена производителем и представлять собой семейство зависимостей θ от времени импульса при различных скважностях. Если такой характеристики нет, то для импульсного режима можно использоваться следующее выражение:

где tИМП – длительность импульса, tПЕР – период повторения импульса, tВР – временная температурная постоянная. Последняя может быть рассчитана как сумма температурных постоянных отдельных слоев (пьедестала, полупроводника, платы и т.п.):

где r – плотность материала, C – удельная теплоемкость (Дж/г×°С), K – теплопроводность (Вт/см×°С), l – толщина слоя, см.

Использованная литература

1. Microsemi corp. The PIN diode circuit designers’ handbook.

2. Skyworks solution inc. Design with PIN diodes.

3. О.Г.Вендик, М.Д.Парнес. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию).

4. Г.С.Хижа, И.Б.Вендик, Е.А.Серебрякова. СВЧ фазовращатели и переключатели.

5. Г.Уотсон. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение.

6. А.В.Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых приборах.

7. СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под редакцией И.В.Мальского и Б.В.Сестрорецкого.

8. R.Caverly and G.Hiller. Establishing the minimum reverse bias for a p-i-n diode in a high-power switch.

9. Н.Т.Бова, Ю.Г.Ефремов, В.В.Конин. Микроэлектронные устройства СВЧ.

10. MA-COM tech. Comparison of Gallium Arsenide and Silicon PIN diodes for High Speed Microwave Switches.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *