Diodo p-i-n
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Diodo PIN es una estructura de tres capas, siendo la intermedia semiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de alta resistividad (π) o bien por una capa n de alta resistividad (ν). La región intrínseca amplia es en contraste con un diodo PN ordinaria. La región intrínseca amplia hace que el diodo PIN un rectificador inferiores, pero hace que el diodo PIN adecuado para atenuadores, interruptores rápidos, fotodetectores, y aplicaciones de electrónica de potencia de alta tensión.
Sumario
Descubrimiento del diodo pin
En 1971 C.A. Burrus desarrolla un nuevo tipo de emisor de luz, el LED, de pequeña superficie radiante, idónea para el acoplamiento en F.O. Por lo que se refiere a los fotodetectores, los diodos PIN y los de avalancha a base de Si, fueron desarrollados sin dificultades y ofrecían buenas características. Sin embargo, no podían aplicarse en longitud de onda > 1100 nm. El Ge era un buen candidato a ser utilizado para trabajar entre 1100 y 1600 nm, y ya en 1966 se disponía de ellos con elevadas prestaciones eléctricas. Sin embargo, la corriente de oscuridad (ruido) del Ge es elevada y da motivo a ensayos con fotodiodos con materiales como InGaAsP (arseniuro fosfuro de indio y galio). El primer PIN de InGaAs (arseniuro de indio y galio) se realiza en 1977.
Operación
Un diodo PIN opera bajo lo que se conoce como la inyección de alto nivel. En otras palabras, la región intrínseca "i" se inunda con los portadores de carga de las regiones de "n", "p" y. Su función se puede comparar a llenar un cubo de agua con un agujero en el lado. Una vez que el agua alcanza el nivel del agujero en el que comenzará a derramar. Del mismo modo, el diodo conducir la corriente una vez que los electrones y los huecos inundados llegan a un punto de equilibrio, donde el número de electrones es igual al número de agujeros en la región intrínseca. Cuando el diodo está polarizado hacia adelante, la concentración de portadores inyectada es típicamente varios órdenes de magnitud más alta que la concentración de portadores nivel intrínseco. Debido a esta inyección de alto nivel, que a su vez se debe al proceso de agotamiento, el campo eléctrico se extiende profundamente en la región. Este campo eléctrico ayuda en la aceleración del transporte de portadores de carga desde la P a la región N, que se traduce en un funcionamiento más rápido del diodo, por lo que es un dispositivo adecuado para operaciones de alta frecuencia.
Características
Un diodo PIN obedece a la ecuación del diodo estándar para señales de baja frecuencia. A frecuencias más altas, el diodo se parece a una resistencia casi perfecta. Hay una gran cantidad de carga almacenada en la región intrínseca. A bajas frecuencias, la carga se puede quitar y el diodo se apaga. A frecuencias más altas, no hay tiempo suficiente para retirar la acusación, por lo que el diodo no se apaga nunca. El diodo PIN tiene un mal tiempo de recuperación inverso.
La resistencia de alta frecuencia es inversamente proporcional a la corriente continua de polarización a través del diodo. Un diodo PIN, adecuadamente sesgada, por lo tanto, actúa como una resistencia variable. Esta resistencia de alta frecuencia puede variar en un amplio intervalo.
La región intrínseca amplia también significa que el diodo tendrá una capacitancia baja polarizado inversamente.
En un diodo PIN, la región de agotamiento existe casi por completo dentro de la región intrínseca. Esta región de agotamiento es mucho más grande que en un diodo PN, y casi constante de tamaño, independiente de la polarización inversa aplicada al diodo. Esto aumenta el volumen en el que los pares electrón-hueco pueden ser generados por un fotón incidente. Algunos dispositivos fotodetectores, tales como fotodiodos PIN y fototransistores, utilizan una unión pin en su construcción.
El diseño de diodo tiene algunas ventajas y desventajas de diseño. El aumento de las dimensiones de la región intrínseca permite que el diodo se vea como una resistencia a frecuencias más bajas. Se afecta negativamente el tiempo necesario para apagar el diodo y su capacitancia en derivación. Diodos PIN se adaptarán para un uso particular.
Aplicaciones
Los diodos PIN son utilizados como:
- conmutador de RF
- resistencia variable
- protector de sobretensiones
- fotodetector
- atenuadores
-Interruptores de RF y microondas Bajo el sesgo cero o inversa, un diodo PIN tiene una capacidad baja. La baja capacidad no va a pasar mucho de una señal de RF. En virtud de un sesgo hacia adelante de 1 mA, un diodo PIN típico tendrá una resistencia de RF de aproximadamente 1 ohmio, por lo que es un buen conductor de RF. En consecuencia, el diodo PIN hacen un buen interruptor de RF. Aunque los relés de RF se pueden utilizar como interruptores, cambian muy lentamente. Un interruptor de diodo PIN puede cambiar mucho más rápidamente.
La capacitancia de un diodo PIN fuera discreta podría ser 1 pF. A 320 MHz, la reactancia de 1 pF trata-J500 ohms. Como un elemento de la serie en un sistema de 50 ohmios, la atenuación de estado desactivado sería -20 veces la base 10 de registro de la relación de la impedancia de carga a la suma de la carga, el diodo y la fuente de impedancias, o más o menos 20 dB, lo que no puede ser adecuada. En aplicaciones donde se necesita un mayor aislamiento, tanto la derivación y elementos de las series se pueden utilizar, con los diodos de derivación sesgadas de manera complementaria a los elementos de la serie. Adición de elementos de derivación reduce de manera efectiva la fuente y impedancias de carga, la reducción de la relación de impedancia y el aumento de la atenuación del estado de desactivación. Sin embargo, además de la complejidad añadida, la atenuación en estado de encendido se incrementa debido a la resistencia en serie del elemento de bloqueo en estado de encendido y la capacitancia de los elementos de derivación en estado desactivado.
Interruptores de diodos PIN se utilizan no sólo para la selección de la señal, también se utilizan para la selección de componentes. Por ejemplo, algunos osciladores de bajo ruido de fase utilizan diodos PIN de inductores gama de interruptores.
-RF y microondas atenuadores variables Al cambiar la corriente de polarización a través de un diodo PIN, es posible cambiar rápidamente la resistencia RF.
A altas frecuencias, el diodo PIN aparece como un resistor cuya resistencia es una función inversa de la corriente directa. En consecuencia, el diodo PIN se puede utilizar en algunos diseños atenuador variable como moduladores de amplitud o circuitos de nivelación de salida. Diodos PIN pueden ser utilizados, por ejemplo, como el puente y las resistencias en derivación en un puente-T atenuador. Otro enfoque común es utilizar diodos PIN como terminaciones conectadas a la 0 grados y -90 grados puertos de un híbrido en cuadratura. La señal a ser atenuada se aplica al puerto de entrada, y el resultado se toma atenuada desde el puerto aislamiento. Las ventajas de este enfoque más de los enfoques puente-T y PI son no se necesitan unidades de polarización del diodo PIN complementarias la misma polarización se aplica a los dos diodos y la pérdida en el atenuador es igual a la pérdida de retorno de las terminaciones, que se puede variar en un gama muy amplia.
-Limitadores Diodos PIN veces se utilizan como dispositivos de protección de entrada para sondas de prueba de alta frecuencia. Si la señal de entrada está dentro del rango, el diodo PIN tiene poco impacto como una pequeña capacidad. Si la señal es grande, entonces el diodo PIN se inicia para llevar a cabo y se convierte en una resistencia que desvía la mayor parte de la señal a tierra.
-Célula fotoeléctrica y fotovoltaica El fotodiodo PIN fue inventado por Jun-ichi Nishizawa y sus colegas en 1950. Fotodiodos PIN se utilizan en las tarjetas de red de fibra óptica y los interruptores. Como un fotodetector, el diodo PIN está polarizado inversamente. En polarización inversa, el diodo normalmente no realiza. Un fotón entrar en la región intrínseca libera un portador. El campo de polarización inversa barre el portador fuera de la región y crea una corriente. Algunos detectores pueden usar la multiplicación de avalancha.
La célula fotovoltaica PIN funciona en el mismo mecanismo. En este caso, la ventaja de utilizar una estructura PIN por unión semiconductora convencional es la respuesta de longitud de onda más larga de la primera. En caso de irradiación de longitud de onda larga, los fotones penetran profundamente en la célula. Pero sólo los pares electrón-hueco generados en y cerca de la región de agotamiento contribuyen a la generación actual. La región de agotamiento de una estructura PIN extiende a través de la región intrínseca, profundamente en el dispositivo. Esta anchura agotamiento general permite la generación de par electrón-hueco profundo en el dispositivo. Esto aumenta la eficiencia cuántica de la célula.
Normalmente, las células de silicio de película delgada amorfa utilizan estructuras PIN. Por otro lado, las células de CdTe utilizan estructura NIP, una variación de la estructura PIN. En una estructura de NIP, una capa intrínseca CdTe se intercala por n-dopado CdS y p-dopado CnTe. Los fotones inciden sobre la capa de n-dopado a diferencia de un diodo PIN. Un fotodiodo PIN también puede detectar los rayos X y gamma, fotones de rayos.
