pin-diode

Skjema for en pin-diode

Den PIN-dioden ( engelsk positiv negativ indre diode ) er en elektrisk komponent . Strukturen ligner en pn- diode , med den avgjørende forskjellen at det er et ekstra svakt eller udopert lag mellom p- og n- dopet lag. Dette laget er derfor bare iboende ledende ( iboende ledende ) og kalles derfor i-laget . P- og n-lagene er derfor ikke i direkte kontakt, og når en omvendt spenning påføres, dannes en større romladningssone enn med den klassiske pn-dioden. Siden i-laget bare inneholder noen få gratis ladebærere , har det høy motstand.

PIN-dioden er også kalt psn diode (s for svakt dopet) eller effektdiode ( på grunn av dets anvendelse i kraftelektronikk ).

konstruksjon

En stiftdiode består i hovedsak av et svakt n-ledende silisiumbasismateriale ( substrat ), som er forsynt med en sterk p-doping på den ene siden og en sterk n-doping på den andre (svak bruk er også mulig p-dopede substrater, men n-materiale er vanligvis tilgjengelig i høyere renhet).

Doping kan eventuelt oppnås ved diffusjonsprosesser , epitaksi eller ionimplantasjon . For kontakt, påføres metallag på begge sterkt dopede områder , noe som skaper en ohmsk kontakt . Aluminium brukes ofte som metalliseringsmateriale .

funksjon

Hvis pin-dioden er positivt forspent, injiseres hull i i-laget fra p-laget og elektroner fra n-laget . Ladebærernes levetid er spesielt lang i det udopede i-laget ( ≈ 0,05 ... 5 µs for silisium). Pinnedioden forblir derfor ledende selv om bare korte spenningspulser med en pulsvarighet påføres. Hvis tappdioden betjenes i omvendt retning, oppstår en romladningssone utladet av ladningsbærere mellom p- og i-sonene. Med en gitt omvendt spenning er dybden av denne sonen gitt av følgende ligning (se også pn-kryss ): ${\ displaystyle \ tau}$ ${\ displaystyle \ tau}$ ${\ displaystyle t _ {\ rm {P}} \ ll \ tau}$ ${\ displaystyle z _ {\ mathrm {d}}}$ ${\ displaystyle U _ {\ mathrm {bias}}}$

{\ displaystyle z _ {\ mathrm {d}} = {\ sqrt {{\ frac {2 \ varepsilon _ {0} \ varepsilon _ {\ mathrm {r}} U _ {\ mathrm {bias}}} {e}} \ left ({\ frac {N _ {\ mathrm {A}} + N _ {\ mathrm {D}}} {N _ {\ mathrm {A}} N _ {\ mathrm {D}}}} \ right)}} \ ca. {\ sqrt {\ frac {2 \ varepsilon _ {0} \ varepsilon _ {\ mathrm {r}} U _ {\ mathrm {bias}}} {e \, N _ {\ mathrm {D}}}}}}

Her er ε ₀ = 8,85 × 10 ⁻¹² F / m det elektriske feltkonstanten , ε _r den dielektriske konstanten og e den grunnleggende ladningen . Tilnærmingen på høyre side gjelder tilfellet med tappdioden, siden akseptorkonsentrasjonen i p-dopingen er veldig mye større enn donorkonsentrasjonen i n-dopingen av i-laget (av substratet er typisk 10 ¹² -10 ¹⁴ cm ⁻³ og p-doping ved 10 ¹⁸ –10 ²⁰ cm ⁻³ ). ${\ displaystyle N _ {\ mathrm {A}}}$ ${\ displaystyle N _ {\ mathrm {D}}}$ ${\ displaystyle N _ {\ mathrm {D}}}$ ${\ displaystyle N _ {\ mathrm {A}}}$

I likestrømsdrift fungerer tappdioden på samme måte som en vanlig halvlederdiode, det høye antallet ladningsbærere som er lagret i i-laget blir bare merkbar når du bytter. For vekselstrømmer har pin-dioden likeretteregenskaper opp til ca. 10 MHz (avhengig av tykkelsen på i-laget). Over 10 MHz oppfører den seg som en ohmsk motstand som er omvendt proporsjonal med gjennomsnittsstrømmen gjennom D er iode. ${\ displaystyle {\ overline {I}} _ {\ rm {D, {pin}}}}$

{\ displaystyle r _ {\ rm {D, {pin}}} \ approx {\ frac {n \ cdot U_ {T}} {{\ overline {I}} _ {\ rm {D, {pin}}}} }}

, med temperaturspenning : og n ≈ 1… 2. (Begrenset av kontaktmotstanden , kan minimum 0,8–8 Ω oppnås.)

{\ displaystyle U_ {T} = {\ frac {k \, T} {e}}}

Fordeling av romladning i en negativ forspent pin-diode (over) og tilhørende fordeling av elektrisk feltstyrke (nedenfor).

Kapasitansen til negativt forspente pin-dioder har en lignende funksjonell avhengighet av volum som kapasitansen til platekondensatorer , som avhenger av området og plateavstanden . ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle d}$

{\ displaystyle C = \ varepsilon _ {\ mathrm {r}} \ varepsilon _ {0} {\ frac {A} {d}}}

I tilfelle pin-fotodioder tilsvarer området det aktive området til detektoren, og plateavstanden tilsvarer dybden i romladningssonen . En fullstendig utarmet pin-fotodiode tilsvarer omtrent chiptykkelsen og med et detektorareal på 5 mm² og en chiptykkelse på 0,5 mm oppnås en kapasitans på 1 pF. ${\ displaystyle z _ {\ mathrm {d}}}$ ${\ displaystyle z _ {\ mathrm {d}}}$

Spenningsendringen som kan måles ved innfallende stråling i pin-fotodioder er hvor er ladningen til elektronene eller hullene og detektorens kapasitans. Elektronhullparene som genereres av strålingen, er atskilt av det elektriske feltet, med elektronene som driver til det mest positive og hullene til det mest negative potensialet. Spenningsforskjellen skal være så stor som mulig slik at signal-støy-forholdet er høyt. For dette formål bør kapasitansen være så liten som mulig, for hvilket formål, med konvensjonelt konstruerte pin-fotodioder, blir enten det følsomme området minimert eller den følsomme tykkelsen økes. På den annen side ønskes ofte størst mulig område. Dette bør imidlertid ikke være for stort slik at en ekstrem høy revers spenning ikke trenger å bli brukt. ${\ displaystyle \ Delta U = {\ frac {\ Delta q} {C}}}$ ${\ displaystyle \ Delta q}$ ${\ displaystyle C}$ ${\ displaystyle \ Delta U}$ ${\ displaystyle C}$

applikasjon

pin-dioder brukes hovedsakelig i høyfrekvent teknologi som DC-kontrollerte motstander (dempere eller amplitude-regulatorer) eller DC-spenningsstyrte HF-brytere. På grunn av det eksisterende i-laget oppnås en bedre overføringsadferd i kraftelektronikk ved spenninger over 1 kV, og takket være den store romladingssonen er dielektrisk styrke 5 ganger høyere enn med pn-dioder, og det er derfor de brukes som likeretter- og frihjulsdioder for høye spenninger og strøm kan bli brukt. Som fotodioder brukes de til å måle stråling og som mottakere i fiberoptisk (LWL) overføringsteknologi.

DC-kontrollert motstand

Fordi den oppfører seg som en ohmsk motstand ved høye frekvenser, kan en pin-diode brukes som en DC-kontrollert vekselstrømsmotstand . Den høyfrekvente vekselstrømmen er overlagret med en likestrøm, som gjør det mulig å kontrollere motstanden til i-sonen. ${\ displaystyle f \ gg {\ tau} ^ {- 1}}$

I høyfrekvente kretser er ofte - dempere brukt med trepinsdioder. Dette tillater en signal demping med konstant tilpasning til bølgemotstanden (vanligvis 50 ). ${\ displaystyle f> {2 \ prikker 100 \, {\ rm {MHz}}} \ gg {\ tau} ^ {- 1}}$ ${\ displaystyle \ pi}$ ${\ displaystyle \ Omega}$

I tillegg, på grunn av den relativt tykke i-sonen, har pin-dioder en lav krysskapasitans. Som et resultat, med kretsen til π-demperen i kortslutningsserie-kortslutningsdrift, kan dette også brukes som en høyfrekvensbryter, med sterk blokkeringsdemping. ${\ displaystyle {\ overline {I}} _ {\ rm {D, {pin}}} = 0}$

Spenningsdeler for vekselspenninger med pin-diode.
Krets av en π-demper.

Fotodiode

Absorpsjon av fotoner i det indre laget ( romladningssone ) og generering av ladningsbærerpar . Materialet blir gjennomsiktig for fotoner med mindre energi enn båndgapet ( E < _Eg ).

BPW-34 fotodiode

Pin- fotodioden og skredfotodioden brukes hovedsakelig i optoelektronikk for optisk signaloverføring i kommunikasjonsteknologi . Pin-fotodioden er den viktigste detektoren for fiberoptiske applikasjoner. Pin-fotodioder er mer temperaturstabile og billigere på grunn av deres tykke i-lag, men mindre følsomme enn skredfotodioder på grunn av mangel på intern forsterkning. Toppverdier for følsomheten for Si- pin-dioder er maksimalt ved 850 nm mellom −40 dBm (25 Mi b s ⁻¹ ) og −55 dBm (2 Mib s ⁻¹ ). For bølgelengder over 1000 nm brukes materialer som germanium (Ge), indium galliumarsenid (InGaAs) og indium galliumarsenidfosfid (InGaAsP), med InGaAs som har den største avskårne bølgelengden på 1600 nm.

I en posisjonssensitiv enhet brukes den laterale fotoeffekten av en flat stiftdiode med flere elektroder til å lokalisere et lyspunkt på dioden.

litteratur

Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Semiconductor circuit technology. 12. utgave, Springer 2002, ISBN 3-540-42849-6 .

weblenker

Fra diodebryteren til den elektroniske FM-antennebryteren . Elektronikk kompendium (diode og høyfrekvente brytere).
@1@ 2Mal: Dead Link / ieee.li ( Siden er ikke lenger tilgjengelig , søk i nettarkiver ) PIN Diode Circuit Designers 'Handbook (pdf, engelsk; 1.26 MB)

Individuelle bevis

↑ ^a^b L. Stiny: Håndbok over aktive elektroniske komponenter . Franzis 'Verlag GmbH, 2009, ISBN 978-3-7723-5116-7 , s. 186 f .
↑ J. Specovius: Grunnkurs i kraftelektronikk: komponenter, kretser og systemer . Vieweg + Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-1307-7 , pp. 18–29 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book Search).
^ ^A^b D. Gustedt, W. Wiesner: Fiberoptisk overføringsteknologi . Franzis 'Verlag GmbH, 1998, ISBN 978-3-7723-5634-6 , s. 105 f .

[Stiny-1] L. Stiny: Håndbok over aktive elektroniske komponenter . Franzis 'Verlag GmbH, 2009, ISBN 978-3-7723-5116-7 , s. 186 f .

[Specovius-2] J. Specovius: Grunnkurs i kraftelektronikk: komponenter, kretser og systemer . Vieweg + Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-1307-7 , pp. 18–29 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book Search).

[Gustedt-3] A^b D. Gustedt, W. Wiesner: Fiberoptisk overføringsteknologi . Franzis 'Verlag GmbH, 1998, ISBN 978-3-7723-5634-6 , s. 105 f .

Languages