Pin диод
PIN-диод — разновидность диода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный (нелегированный, англ. intrinsic) полупроводник (i-область). p и n области как правило легируются сильно, так как они часто используются для омического контакта к металлу.
Широкая нелегированная i-область делает pin-диод плохим выпрямителем (обычное применение для диода), но, с другой стороны, это позволяет использовать его в аттенюаторах (ослабителях сигнала), быстрых переключателях, фотодетекторах, а также в высоковольтной электронике.
Как правило предназначен для работы в сантиметровом диапазоне волн.
Принцип работы
Характерные качества pin-диода проявляются при работе в режиме сильной инжекции, когда i-область заполняется носителями заряда из сильнолегированных n+ и p+ областей, к которым прикладывается прямое смещение напряжения. pin-диод функционально можно сравнить с ведром воды с отверстием сбоку: как только ведро наполняется до уровня отверстия, оно начинает протекать. Точно так же и диод начинает пропускать ток, как только заполнится носителями заряда i-область.
Из-за того, что в i-области очень низкая концентрация носителей заряда, там практически отсутствуют процессы рекомбинации во время инжекции. Но в режиме прямого смещения концентрация носителей заряда на несколько порядков превышает собственную концентрацию.
Характеристики
На низких частотах для pin-диода справедливы те же уравнения, что и для обычного. На высоких частотах pin-диод ведет себя как практически идеальный резистор — его вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейна даже для очень большого значения напряжения. На высоких частотах в i-области находится большое количество накопленного заряда, который позволяет диоду работать. На низких частотах заряд в i-области рекомбинирует и диод выключается.
Реактивное сопротивление обратно пропорционально постоянному току, протекающему через pin-диод. Таким образом, можно варьировать значение сопротивления в широких пределах — от 0,1 Ом до 10 кОм — меняя постоянную составляющую тока.
Большая ширина i-области также означает, что pin-диод имеет небольшую ёмкость при обратном смещении.
Области пространственного заряда (ОПЗ) в pin-диоде практически полностью находятся в i-области. По сравнению с обычными, pin-диод имеет значительно бо́льшую ОПЗ, границы которой незначительно меняются в зависимости от приложенного обратного напряжения. Таким образом увеличивается объем полупроводника, где могут быть образованы электронно-дырочные пары под воздействием излучения (например, оптического — фотона). Некоторые фотодетекторы, такие как pin-фотодиоды и фототранзисторы (в которых переход база-коллектор является pin-диодом), используют pin-переход для реализации функции детектирования.
При проектировании pin-диода приходится искать компромисс: с одной стороны, увеличивая величину i-области (а соответственно, и количество накопленного заряда) можно добиться резистивного поведения диода на более низких частотах, но с другой стороны, при этом для рекомбинации заряда и перехода в закрытое состояние потребуется большее время. Поэтому, как правило, pin-диоды каждый раз проектируются под конкретное приложение.
Применение
pin-диоды как правило используются как переключатели в радио- и СВЧ трактах, аттенюаторы, модуляторы, переключатели и фотодетекторы.
По области применения pin-диоды подразделяют на:
- смесительные (например: 2А101 — 2А109);
- детекторные (например: 2А201 — 2А203);
- параметрические (например: 1А401 — 1А408);
- переключательные и ограничительные (например 2А503 — 2А524);
- умножительные и настроечные (например: 2А601 — 2А613);
- генераторные (3А703, 3А705).
Радиочастотные (РЧ) и СВЧ-переключатели
При нулевом или обратном смещении pin-диод имеет малую ёмкость. Ёмкость небольшой величины не пропускает высокочастотный сигнал. При прямом смещении и токе 1 мА типичный pin-диод имеет реактивное сопротивление порядка 1 Ом, что делает его хорошим проводником в РЧ-тракте. Таким образом, pin-диод может использоваться в качестве хорошего РЧ- и СВЧ-переключателя.
РЧ реле также используются как переключатели, однако с меньшей скоростью (время переключения ~10 мс), в то время, как pin-диоды — значительно быстрее: десятки нс, единицы мкс.
Ёмкость выключенного дискретного pin-диода составляет примерно 1 пФ. На частоте 320 МГц реактивное сопротивление такой емкости ~500 Ом. В системах, рассчитанных на 50 Ом, ослабление сигнала будет около 20 дБ, что в некоторых приложениях недостаточно. В приложениях, требующих большей изоляции, переключатели каскадируются: каскад из трёх диодов даёт ослабление в 60 дБ и более (до 100 дБ в зависимости от частоты).
РЧ и СВЧ управляемые аттенюаторы
Меняя ток через pin-диод, можно быстро изменить реактивное сопротивление.
На высоких частотах реактивное сопротивление pin-диода обратно пропорционально силе тока. Соответственно, pin-диод может использоваться как управляемый аттенюатор, например, в схемах амплитудных модуляторов и сдвига уровня.
pin-диод может использоваться, например, как мостовой или шунтирующий резистор в Т-мостовой схеме аттенюатора.
Ограничители
pin-диоды иногда используются для защиты устройств по входам при высокочастотных измерениях. Если входной сигнал мал и находится в области допустимых значений, то pin-диод как малая ёмкость вносит минимальные искажения. При увеличении сигнала и выходе его за допустимые рамки pin-диод начинает проводить и становится резистором, шунтирующим сигнал на «землю».
Фотодетекторы
pin-диод может использоваться в сетевых картах и коммутаторах для волоконно-оптических кабелей. В этих приложениях pin-диод используется как фотодиод.
В качестве фотодетектора pin-диод работает при обратном смещении. При этом он закрыт и не пропускает ток (за исключением незначительного тока утечки). Фотон входит в i-область, порождая образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле ОПЗ, начинают двигаться к высоколегированным областям, создавая электрический ток, который может быть детектирован внешней цепью. Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения.
Величина обратного напряжения может достигать больших значений, при этом большее напряжение создает большее поле, которое вытягивает носители из ОПЗ i-области более быстро.
Высокочастотные и СВЧ p-i-n диоды
Благодаря своей относительной простоте и большому числу замечательных свойств полупроводниковые p-i-n структуры уже с 50-х годов нашли широчайшее применение в конструкциях многих разновидностей полупроводниковых диодов, начиная от высоковольтных выпрямительных до фотодиодов и гетеролазеров.
Наиболее уверенно pin-диоды заняли свою нишу в ВЧ- и СВЧ-диапазонах для управления уровнем и (или) фазой СВЧ-сигналов, коммутации ВЧ- и СВЧ-мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импульсов, для стабилизации СВЧ-мощности , а также в аттенюаторах ВЧ-диапазона.
В этих сферах pin-диоды практически не имеют конкурентов, а из-за фактической невозможности их совмещения на чипе с другими элементами не вытесняются и интегральными схемами.
В отечественной практике pin-диоды СВЧ-диапазона получили название переключательных и ограничительных (в зависимости от рода использования), в ВЧ-диапазоне их называют коммутационными и регулируемыми резистивными (для аттенюаторов). В зарубежной практике в их названии сохранен конструктивно-технологический маркер «PIN-Diodes».
В последнее время из-за резкого расширения производства средств связи, и в частности носимых переговорных устройств специального назначения, наблюдается непрестанное увеличение спроса на pin-диоды. По данным одного из ведущих зарубежных производителей, фирмы HEWLETT PACKARD, годовой прирост потребности в pin-диодах в последние 5 лет достигает 17–33 %, а по отдельным типономиналам и до 2-х раз. Подобная тенденция начинает наблюдаться и в нашей стране, причем характерно, что pin-диоды находят все большее применение не только в аппаратуре специального назначения, но и в коммерческой.
В связи с этим, заводом «ОПТРОН» был проведен комплекс конструкторско-технологических работ по совершенствованию pin-диодов, повышению их качества и принципиальной модернизации ряда типов.
Краткие характеристики pin-диода
Структура типичного pin-диода (рис. 1, а) характеризуется тем, что между двумя сильно легированными областями очень низкого сопротивления n+ и p+ находится активная базовая i-область с высоким удельным сопротивлением (типично ri > 100 омсм, и в ряде приборов вплоть до ri = 200–4000 омсм) и относительно большим временем жизни (электронов и дырок) заряда tэфф(~0,1–1,0 мкс). Толщина базы лежит в пределах wi=3–30 мкм, диаметр меза-структур ai=0,05–2,0 мм.
Рис. 1
-
При работе в прямом направлении на достаточно высоких частотах f, определяемых соотношением
2 p f i эфф >> 1 (1)
rобр= r i wi/si (2)
rпр~wi/si -1/tэфф Iпр (3)
Значения rпр в номинальном режиме близки к величине ~ 1 Ом; при изменении прямого тока величина rпр может изменяться в широких пределах по закону, близкому к
rпр~1/ Iпр (4)
Uпроб = Eкр Wi(s) (5),
где Eкр — критическое поле, обычно принимается Eкр=2х10 5 В/см. Таким образом,
Uпроб = 20Wi(мкм) (5а)
Qнк = Iпр t эфф (6),
tас = Qнк/Iрас= t эфф Iпр/ Iрас (7),
где Iрас — обратной ток рассасывания; длительность второй фазы — восстановления обратного сопротивления — определяется дрейфовым процессом под действием поля в базе по порядку величина близка к
tвост = Wi/ m p,nUобр (8).
Таким образом, при работе в диапазоне СВЧ и отчасти ВЧ pin-диод (без учета паразитных параметров Cк и Lк) представляет собой линейный резистор, сопротивление которого при прямом смещении rпр значительно меньше, чем при обратном rобр , при этом rпр зависит от прямого тока.
Pin-диоды, предлагаемые заводом «ОПТРОН»
Завод производит все перечисленные виды pin-диодов СВЧ- и ВЧ-диапазонов. Параметры переключательных диодов представлены в табл. 1, ограничительных — в табл. 2.
Таблица 1. СВЧ-переключательные pin-диоды
| Тип прибора | Корпус | Пробивное напряжение, В | Рассеи- ваемая мощ- ность Р, Вт |
Общая емкость Сд, пФ | Накопленный заряд Qнк/Iпр Нк/мА | Прямое сопротивление mp/Iпр Ом/мА |
| 2(К)507А, Б |
КД105 | 500 300 |
5 | 0,8 — 1,2 | 200/100 | 1,5/100 |
| 2(К)509А, Б |
КД105 | 200 | 2 | 0,9 — 1,2 0,7-1,0 |
25/25 | 1,5/100 |
| 2(К)515А | КД105 | 100 | 0,5 | 0,4-0,7 | 15/25 | 2,5/25 |
| 2(К)520А Б |
КД105 | 800 600 |
4 | 0,4-1,0 | 300/100 | 2/100 3/100 |
| 2(К)537А, Б |
КД-16-1 | 600 300 |
20 | 3 | 400-1000/100 200-1500/100 |
0,5/100 1,0/100 |
| 2(К)536А-5,6 Б-5,6 |
Б/к | 300 | 1 | 0,08-0,16 0,12-0,21 |
150/10 | 1,5/100 |
| 2(К)541А-5,6 Б-5,6 |
Б/к | 300 | 0,5 | 0,15-0,22 0,18-0,25 |
60-150/100 | 3,0/100 |
| 2(К)543А-5,6 Б-5,6 |
Б/к | 100 | 0,5 | 0,12-0,19 0,15-0,22 |
0,5-3/5 | 1,5/5 |
| 2(К)546А-5,6 Б-5,6 |
Б/к | 300 | 0,5 | 0,12-0,2 | 50-200/100 | 1,5/5 |
| 2(К)554А-5,6 Б-5,6 |
Б/к | 500 150 |
0,5 | 0,025-0,08 | — | 2,0/100 |
Таблица 2. СВЧ-ограничительные pin-диоды
| Тип прибора | Корпус | Пробивное напряжение, В | Рассеи- ваемая мощ- ность Р, Вт |
Общая емкость Сд, пФ | Накопленный заряд Qнк/Iпр Нк/мА | Прямое сопротивление mp/Iпр Ом/мА |
| 2(К)А534А Б |
КД-102 | 30-110 40-110 |
0,25 0,15 |
0,4-0,65 0,35-0,5 |
0,22-1,0/10 | 0,9-1,8/10 |
| 2(К)А522А-2 Б-2 |
Б/к | 70 100 |
0,3 | 0,35-0,75 0,1-1,0 |
1/50 | 1,8/100 2,0/100 |
| 2(К)А550А-5 | Б/к | 100-180 | 5 | 0,2-0,6 | 0,3-1,0/20 | 0,6-1,0/100 |
Рис. 2
На рис.2 представлены некоторые типовые зависимости параметров от режимов измерения и эксплуатации (как видим, они вполне удовлетворительно подтверждают теоретические соотношения (4,6,7)).
Диоды предназначены для сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов; переключательные применяются в переключательных устройствах, модуляторах, фазовращателях, аттенюаторах; ограничительные — в устройствах ограничения и управления мощностью, защиты входных приемников и для тех же целей в составе герметизированных гибридных схем.
Одна из характерных особенностей современного интереса к СВЧ pin-диодам — это резкое увеличение спроса на бескорпусные приборы. Отметим, что завод «ОПТРОН» предлагает четыре основных разновидности бескорпусных приборов: в виде кристалла с контактными площадками без выводов; с гибкими ленточными выводами; на цилиндрическом металлическом держателе — теплоотводе и на керамическом держателе типа «кроватка».
Накопленный заводом производственный опыт, цикл технологических работ по совершенствованию эпитаксии и сборочных процессов позволяет по специальным соглашениям изготовлять приборы с параметрами, превосходящими, указанные в таблицах 1 и 2. В ряде случаев, напротив, задаваемые на тот или иной прибор параметры оказываются неопределенно завышенными или условия применения не требуют их двухстороннего ограничения. В этих случаях возможна, также по дополнительному соглашения, поставка приборов по сниженным ценам.
Для ВЧ-диапазона завод выпускает коммутационные pin-диоды: КД407А,2Д420А и регулируемые резистивные типов 2Д(КД)413А,Б и КД417А для применения в аттенюаторах радиоприемников и селекторов телевизионных каналов.
Приборы выпускаются в стеклянных корпусах с аксиальными выводами типа КД4 и КД1 (миниатюрный). Диапазон рабочих частот от 10 до 300 МГц, основные параметры приборов приведены в табл. 3. Графики рис. 3 свидетельствуют о том, что для использования в аттенюаторах могут отбираться приборы с очень широким динамическим диапазоном (до четырех порядков изменения rпр).
Таблица 3. ВЧ-переключательные pin-диоды
| Тип прибора | Корпус | Пробивное напряжение, В | Общая емкость Сд, пФ | Накопленный заряд Qнк/Iпр Нк/мА | Прямое сопротивление mp/Iпр Ом/мА |
| 2Д420А | КД4 | 24 | 1,5 | — | 1,0/10 |
| КД407А | КД4 | 24 | 1,5 | — | 1,0/10 |
| 2Д420А/* КД407А,Б,В |
КД2 | 24-100 | 1,3-1,5 | — | 1,3-1,5/10 |
| 2(К)Д413А Б |
КД1 | 30 | 0,7 | 2/20 | 30-60/2 40-80/2 |
| КД417А | КД1 | 24 | 0,4 | — | 25/2 |
Рис. 3
В целях повышения качества коммутационных pin-диодов разработан модернизированный аналог диодов КД407А/2Д420А в корпусе КД2. Эти приборы отличаются высокой температурной стабильностью параметров, повышенным обратным напряжением и могут поставляться по более низким ценам.
Основы радиолокации
Основным свойством PIN-диода является то, что его внутреннее сопротивление изменяется в зависимости от величины внешнего прикладываемого к нему напряжения. Это напряжение называют напряжением смещения. При изменении напряжения смещения сопротивление PIN-диода может меняться от 6 кОм при отрицательном смещении до около 5 Ом при положительном смещении. Благодаря этому свойству PIN-диоды могут использоваться в качестве электронных переключателей, например, как показано на Рисунке 1.
- Случай 1: Напряжение смещения (Vcc) положительное.
Оба PIN-диода имеют очень низкое сопротивление. Мощность от передатчика проходит через верхний PIN-диод к антенне. Поскольку сопротивление нижнего PIN-диода тоже низкое, то он накоротко замыкает вход приемника и, тем самым, защищает его от мощности, генерируемой передатчиком. Однако это низкое сопротивление преобразуется при помощи согласующей линии длиной λ/ 4 в высокое сопротивление. Таким образом, высокочастотная энергия от передатчика «видит» здесь высокое сопротивление (разомкнутую линию) и проходит в антенну, импеданс которой согласован с импедансом линии передачи. - Случай 2: Напряжение смещения (Vcc) отрицательное.
Оба PIN-диода имеют высокое сопротивление. Линия к передатчику теперь имеет высокое сопротивление (практически, разомкнутая линия) и принимаемая мощность не проходит к передатчику. PIN-диод в тракте приема имеет высокое сопротивление и практически не влияет на интенсивность проходящего к приемнику сигнала.
Полностью твердотельные антенные переключатели, построенные на PIN-диодах, становятся хорошей альтернативой, характеризуясь хорошей изоляцией, быстрым временем восстановления и долгим сроком службы. Диодный ограничитель пропускает маломощные сигналы с незначительным их ослаблением, а сигналы, превышающие заданный уровень, ослабляются и на входе приемника имеют постоянную интенсивность. При использовании в качестве переключателя, устройство на PIN-диодах должно обеспечивать низкие потери (в направлении от антенн к приемнику) и хорошую изоляцию (в направлении от передатчика к приемнику). Это усложняет конструкцию и влечет за собой увеличение риска катастрофических повреждений приемника в случае выхода из строя антенного переключателя. Из соображений надежности часто используется несколько ступеней ограничения.
На Рисунке 2 изображен переключатель с двумя PIN-диодами, который переключает короткое замыкание на резонансную линию и, тем самым, направляет высокочастотную энергию, в зависимости от управляющего напряжения в поглощающую нагрузку либо на выход модуля (что означает, к приемнику).
поглощающие
нагрузки
резонансные линии
направленный ответвитель
Рисунок 2. Переключатель на PIN-диодах, построенный на полосковой технологии
Переключатель на PIN диодах для антенн и спутникового оборудования
Для распределения энергии в антенно-фидерной системе при приеме и передаче сигнала, а также для предохранения входных цепей приемника от проникновения в него энергии передатчика применяются антенные переключатели. Одной из разновидностей таких коммутаторов выступает переключатель, работающий на диодах, выполненных по pin-технологии.
PIN диод: что это
Диодный переключатель, где между пространствами дырочной (p) и электронной (n) проводимости расположен нелегированный (собственный) полупроводник (область i). Сильное легирование p и n обеспечивает хороший омический контакт с металлом.
Обычно диод выступает выпрямителем, но нелегированная широкая i‑oбласть pin диода исключает эту возможность. Однако данный вид диодного переключателя широко применяется в ослабляющих сигнал аттенюаторах, фотодетекторах, быстрых переключателях, высоковольтной электронике. Чаще всего работает в сантиметровом волновом диапазоне.
Построенные по pin‑технологии твердотельные антенные переключатели характеризуются высокой степенью изоляции, износостойкостью, быстрым восстановлением, долгой службой.
