PIN 다이오드

이 문서에는 참고 자료, 관련 읽기 또는 외부 링크가 포함되어 있지만 인라인 인용이 부족하여 출처가 불분명합니다. 좀 더 정밀한 인용문을 도입하여 이 글의 개선에 도움을 주시기 바랍니다.(2022년 7월) (이 템플릿메시지를 삭제하는 방법과 타이밍에 대해 학습합니다)

PIN 다이오드

PIN 다이오드 레이어
유형	반도체
발명된	1950
전자 기호
다이어그램에서 다이오드는 "PIN" 문자로 표시될 수 있습니다.

PIN 다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체 영역 사이에 폭이 넓은 비변형 고유 반도체 영역을 가진 다이오드입니다.p타입과 n타입의 영역은 일반적으로 ohmic 접점에 사용되기 때문에 도핑이 심합니다.

넓은 고유 영역은 일반적인 p-n 다이오드와 대조적입니다.고유 영역이 넓기 때문에 PIN 다이오드는 열등 정류기(다이오드의 일반적인 기능 중 하나)이지만 감쇠기, 고속 스위치, 광검출기 및 고전압 전력 전자 장치 애플리케이션에 적합합니다.

PIN 포토다이오드는 니시자와 준이치와 그의 동료들에 의해 1950년에 발명되었다.반도체 소자입니다.

작동

PIN 다이오드는 이른바 하이 레벨 인젝션 하에서 작동합니다.즉, 본질적인 "i" 영역은 "p" 및 "n" 영역에서 온 전하 캐리어로 범람합니다.그 기능은 물통을 측면에 구멍으로 채우는 것과 비슷합니다.물이 구멍의 높이에 도달하면 쏟아지기 시작할 것이다.마찬가지로, 다이오드는 범람한 전자와 구멍이 평형점에 도달하면 전류를 전도합니다. 평형점에 도달하면 전자의 수는 고유 영역의 구멍 수와 동일합니다.

다이오드가 전방 바이어스일 경우 주입된 반송파 농도는 일반적으로 고유 반송파 농도보다 몇 배 정도 높습니다.이 고레벨 주입으로 인해, 이는 다시 고갈 과정으로 인해 전장이 영역 안으로 깊숙이(거의 전체 길이) 확장됩니다.이 전장은 P에서 N 영역으로 전하 캐리어의 이송 속도를 높이는 데 도움이 되며, 이로 인해 다이오드의 작동 속도가 빨라져 고주파 ^{[citation needed]}작동에 적합한 장치입니다.

특성.

PIN 다이오드는 저주파 신호의 표준 다이오드 방정식을 따릅니다.고주파수에서는 다이오드는 거의 완벽한(대형 신호의 경우에도 매우 선형적인) 저항처럼 보입니다.P-I-N 다이오드는 두꺼운 고유 영역에 상대적으로 많은 양의 전하가 저장되어 있습니다.저주파수에서는 저장된 전하를 완전히 스위프하여 다이오드를 끌 수 있습니다.고주파에서는 드리프트 영역에서 전하를 스위프할 시간이 부족하기 때문에 다이오드가 꺼지지 않습니다.다이오드 접합부에서 저장된 전하를 스위프하는 데 필요한 시간은 역복구 시간이며 PIN 다이오드의 경우 상대적으로 긴 시간입니다.소정의 반도체 재료, 온스테이트 임피던스 및 최소 사용 가능한 RF 주파수에 대해 리버스 리커버리 시간을 고정한다.이 속성을 이용할 수 있습니다.P-I-N 다이오드 중 하나인 스텝 리커버리 다이오드는 리버스 리커버리 종료 시 급격한 임피던스 변화를 이용하여 ^{[citation needed]}고배수의 주파수 증대에 유용한 좁은 임펄스 파형을 생성합니다.

고주파 저항은 다이오드를 통과하는 DC 바이어스 전류에 반비례합니다.따라서 적절히 바이어스된 PIN 다이오드는 가변 저항기 역할을 합니다.이 고주파 저항은 넓은 범위(경우에 ^[1]따라 0.1Ω ~ 10kΩ)에 걸쳐 변화할 수 있습니다. 단, 유효 범위는 더 작습니다.

또한 넓은 고유 영역은 역바이어스 시 다이오드의 캐패시턴스가 낮음을 의미합니다.

PIN 다이오드에서 고갈 영역은 거의 완전히 고유 영역 내에 존재합니다.이 고갈 영역은 PN 다이오드보다 훨씬 크고 다이오드에 적용되는 역편향과는 무관하며 크기가 거의 일정합니다.이것은 입사 광자에 의해 전자-공 쌍이 생성될 수 있는 부피를 증가시킨다.PIN 포토 다이오드 및 포토 트랜지스터(베이스-콜렉터 접합부가 PIN 다이오드)와 같은 일부 광검출기 장치는 구조에 PIN 접합부를 사용합니다.

다이오드 설계에는 몇 가지 설계상의 단점이 있습니다.고유 영역의 면적을 늘리면 저장된 전하가 증가하여 RF 온스테이트 저항을 감소시키는 동시에 역바이어스 캐패시턴스를 증가시키고 I 영역에서 전하를 스위프하는 데 필요한 최소 시간에 영향을 주지 않고 일정한 전환 시간 동안 전하를 제거하는 데 필요한 구동 전류를 증가시킵니다.고유 영역의 두께를 늘리면 총 저장 전하가 증가하고 최소 RF 주파수가 감소하며 역 바이어스 캐패시턴스가 감소하지만 순방향 바이어스 RF 저항은 감소하지 않으며 드리프트 전하를 스위프하여 RF 저항에서 높은 RF 저항으로 전환하는 데 필요한 최소 시간이 늘어납니다.다이오드는 특정 RF 대역 및 용도에 따라 다양한 기하학적 형태로 상업적으로 판매됩니다.

적용들

PIN 다이오드는 RF 스위치, 감쇠기, 광검출기 및 위상 ^[2]시프터로 유용합니다.

RF 및 마이크로파 스위치

0 또는 역바이어스("꺼짐") 상태에서는 PIN 다이오드의 캐패시턴스가 낮습니다.저커패시턴스는 RF 신호의 대부분을 통과하지 않습니다.1mA의 전진 바이어스("ON" 상태)에서 일반적인 PIN 다이오드는 약 1Ω의 RF 저항을 가지므로 RF의 양호한 도체가 됩니다.그 결과 PIN 다이오드는 양호한 RF 스위치가 된다.

RF 릴레이는 스위치로 사용할 수 있지만 비교적 느리게 전환됩니다(10밀리초 정도).PIN 다이오드 스위치는 RF 주파수가 낮을 경우 RF 주기와 같은 크기의 전환 시간을 예상하는 것은 적절하지 않지만(1마이크로초 등) 훨씬 더 빠르게 전환할 수 있습니다.

예를 들어, "off" 상태의 이산 PIN 다이오드의 캐패시턴스는 1pF일 수 있습니다.320MHz에서 1pF의 용량 리액턴스는 497Ω입니다.

${\displaystyle {begin{aligned}Z_{\mathrm {f}}&=sqfrac {1}{2\pi(320\times 10^{6},\mathrm {Hz})(1\times 10^{-122},\mathrm {F}})\Omega,\7,$

50Ω 시스템의 직렬 요소로서 오프 상태의 감쇠는 다음과 같습니다.

$디스플레이 스타일A&=20\log _{10}\load\frac {Z_{\mathrm {source}}}+Z_{\mathrm {source}}+Z_{\mathrm {load}}}\right}\\&=20\log _{10}\leftfrac {50,\Omega }{50,\Omega +497,\Omega +50,\Omega }}\오른쪽)\\&={21.5},\mathrm {dB} \end {aligned}}$

이 감쇠는 적절하지 않을 수 있습니다.보다 높은 분리가 필요한 애플리케이션에서는 션트 및 직렬 요소를 모두 사용할 수 있으며, 션트 다이오드는 직렬 요소를 보완하는 방식으로 바이어스됩니다.션트 요소를 추가하면 소스 및 부하 임피던스가 효과적으로 감소하여 임피던스 비율이 감소하고 오프 상태의 감쇠가 증가합니다.단, 온상태 블로킹 소자의 직렬 저항 및 오프상태 션트 소자의 캐패시턴스에 의해 온상태 감쇠가 증가한다.

PIN 다이오드 스위치는 신호 선택뿐만 아니라 구성 요소 선택에도 사용됩니다.예를 들어, 일부 저상 노이즈 발진기는 ^[3]인덕터의 레인지 전환에 사용합니다.

RF 및 마이크로파 가변 감쇠기

PIN 다이오드를 통해 바이어스 전류를 변경함으로써 RF 저항을 빠르게 변경할 수 있습니다.

고주파수에서는 PIN 다이오드는 저항이 순방향 전류의 역함수인 저항으로 나타납니다.따라서 PIN 다이오드는 진폭 변조기 또는 출력 레벨링 회로로서 가변 감쇠기 설계에 사용할 수 있다.

예를 들어 브리지드 T 감쇠기의 브리지 및 션트 저항으로 PIN 다이오드를 사용할 수 있습니다.또 하나의 일반적인 접근방식은 직교 하이브리드의 0도 및 -90도 포트에 접속하는 종단으로서 PIN 다이오드를 사용하는 것입니다.감쇠하는 신호는 입력 포트에 적용되며 감쇠된 결과는 분리 포트에서 가져옵니다.브리지드 T 및 파이 접근법에 비해 이 접근법의 장점은 (1) 상호 보완적인 PIN 다이오드 바이어스 드라이브가 필요하지 않다는 것입니다. 두 다이오드 모두에 동일한 바이어스가 적용되며, (2) 감쇠기의 손실은 종단기의 리턴 손실과 같으며, 이는 매우 광범위한 범위에서 변동될 수 있습니다.

리미터

PIN 다이오드는 고주파 테스트 프로브 및 기타 회로의 입력 보호 장치로 사용하도록 설계되어 있는 경우가 있습니다.입력 신호가 작을 경우 PIN 다이오드는 작은 기생 캐패시턴스만 나타내며 영향을 거의 받지 않습니다.정류 다이오드와 달리 RF 주파수에서는 비선형 저항이 발생하지 않으므로 고조파 및 상호 변조 제품이 발생합니다.신호가 클 경우 PIN 다이오드가 신호 교정을 시작하면 순방향 전류가 드리프트 영역을 충전하고 장치 RF 임피던스는 신호 진폭에 반비례하는 저항이 됩니다.이 신호 진폭 가변 저항을 사용하여 에너지를 소멸시키는 저항성 네트워크에서 신호를 미리 정해진 부분까지 종단하거나 입사 신호를 소스로 되돌리는 임피던스 불일치를 만들 수 있습니다.후자는 아이솔레이터, 즉 상호성을 깨기 위해 영구 자기장을 사용하고 역방향 전파를 분리 및 종단하기 위해 저항 부하를 사용하는 순환기를 포함하는 장치와 결합될 수 있다.션트 리미터로 사용할 경우, PIN 다이오드는 각 RF 사이클 클램핑 중에 높은 저항에서 낮은 저항으로 회전하는 것과 달리 전체 RF 사이클에 걸쳐 저임피던스입니다.높은 파워 스파크 갭 입력 보호 장치를 생성할 수 있는 가스 분자의 이온화 회복 시간은 궁극적으로 가스 내 유사한 물리학에 의존합니다.

광검출기 및 광전지

PIN 포토다이오드는 ^[4]니시자와 준이치와 그의 동료들에 의해 1950년에 발명되었다.

PIN 포토 다이오드는 광섬유네트워크 카드 및 스위치에 사용됩니다.광검출기로서 PIN 다이오드는 역바이어스이다.역바이어스 하에서는 일반적으로 다이오드가 전도하지 않습니다(작은 암전류 또는_s I 누출 저장).충분한 에너지를 가진 광자가 다이오드의 고갈 영역에 들어오면 전자-공 쌍이 생성됩니다.reverse-bias 필드는 캐리어를 영역 밖으로 스위프하여 전류를 생성합니다.일부 탐지기는 눈사태 증식을 사용할 수 있습니다.

태양전지의 PIN 구조, 즉 p-i-n 접합에도 동일한 메커니즘이 적용된다.이 경우 기존의 반도체 p-n 접합부에 비해 PIN 구조를 사용하는 장점은 전자의 장파장 응답성이 더 우수하다는 것이다.장파장 조사의 경우 광자는 세포 깊숙이 침투한다.그러나 고갈 영역과 그 근처에서 생성된 전자-공 쌍만이 현재 생성에 기여합니다.PIN 구조의 고갈 영역은 고유 영역 전체로 디바이스 깊숙이 확장됩니다.이 넓은 고갈 폭은 소자 깊은 곳에서 전자-공 쌍 생성을 가능하게 하며, 이는 셀의 양자 효율을 증가시킨다.

시판되고 있는 PIN 포토 다이오드는, 통신 파장 범위(~1500 nm)에서 양자 효율이 80~90%를 넘고, 통상은 게르마늄 또는 InGaAs로 제조되고 있습니다.고속 응답 속도(p-n 대응 속도보다 높음)가 수십 ^[5]기가헤르츠에 달하기 때문에 고속 광통신 애플리케이션에 이상적입니다.마찬가지로 실리콘 p-i-n 포토다이오드는^[6] 양자 효율이 훨씬 높지만 실리콘 밴드갭 이하의 파장(예: 1100 nm)만 검출할 수 있습니다.

일반적으로 비정질 실리콘 박막 셀은 PIN 구조를 사용합니다.한편, CdTe 셀은 PIN 구조의 변형인 NIP 구조를 사용합니다.NIP 구조에서 고유 CdTe층은 n-도프 CdS 및 p-도프 ZnTe에 의해 끼워져 있으며, 광자는 PIN 다이오드와는 달리 n-도프층에 입사한다.

PIN 포토 다이오드는 X선 및 감마선 광자를 검출할 수도 있습니다.

현대의 광섬유 통신에서 광송신기와 수신기의 속도는 가장 중요한 파라미터 중 하나입니다.포토 다이오드의 표면이 작기 때문에, 그 기생(불필요) 용량이 감소한다.현대 핀 포토다이오드의 대역폭은 마이크로파와 밀리미터파 ^[7]범위에 도달하고 있습니다.

PIN 포토다이오드 예시

SFH203 및 BPW34는 대역폭이 100MHz를 넘는 5mm 투명 플라스틱 케이스의 저렴한 범용 PIN 다이오드입니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 광섬유 케이블
• 상호접속 병목 현상
• 광통신
• 광인터커넥트
• 병렬 광학 인터페이스
• 스텝 리커버리 다이오드

레퍼런스

외부 링크

• PIN 다이오드 설계자 핸드북
• 리시버 프로텍터의 PIN 리미터 다이오드, Skyworks 어플리케이션노트