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.
Содержание
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.
Pin diode что это
Я так представляю это как бы обычный диод только обратный ток он пропускает на третью ногу!? Этакая сверх быстрая релюшка.
Правильно!?
Какие есть диоды помощней?
И можно их ставить парралельно чтобы увеличить пропускную мощность обратного тока.
Конечно я нашел эти ссылки. я "ботаник" и прошу Вас помочь мне на моем языке
Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет
Ведущий производитель электрического оборудования компания MORNSUN выпустила серию источников питания на DIN-рейку LI100-20BxxPR3 c выходами на 12, 15, 24 и 48 В. ИП позиционируются для умных домов, а так же используются в составе оборудования для промышленной автоматизации, различных производственных машин, рельсовых систем транспортировки и другого оборудования, работающего в условиях неблагоприятной окружающей среды.
_________________
Если хотите, чтобы жизнь улыбалась вам, подарите ей своё хорошее настроение
Компания MEAN WELL продолжает активное развитие номенклатуры, осваивая новые направления и обновляя существующую продукцию с учетом возрастающих требований. В настоящий момент в Компэл представлено множество недавно вышедших новинок MEAN WELL.
MEAN WELL выпустил ряд таких новинок как мощные высоковольтные управляемые источники питания, DC/DC-преобразователи со сверхшироким входом (с креплением на DIN-рейку и на шасси), полностью обновил линейку зарядных устройств (ЗУ), DC/AC-преобразователей (инверторов) и ИБП для охранно-пожарных систем. Кроме того, выпущены специальные источники питания с выходным напряжением в виде ШИМ для светодиодных лент и модулей управляемых по DALI2 и 0…10 В, а также другая продукция.
Тогда я наверное имел в виду тунельный диод.
Если нет, тогда как можно организовать процесс — отбора только обратного тока в независимую электрическую цепь допустим на землю.
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.
Применение PIN-диодов в качестве элементов затухания и переключения
В статье Макса Пернера, DM2AUO, рассмотрены варианты применения PIN-диодов в качестве элементов затухания и переключения, что стало возможным благодаря их высокому сопротивлению в закрытом состоянии и весьма низкому — в открытом. Так, распространенные PIN-диоды ВА182, ВА282, ВА479, ВА482, ВА679 (SMD) имеют в открытом состоянии сопротивление 0,3. 0,5 Ом и мощность рассеивания 1. 2.5 Вт. Простейшее применение PIN-диодов может быть в качестве переключателей в последовательной и параллельной схемах (рис.27, сверху и снизу соответственно).
В последовательной схеме диод пропускает сигнал от источника к нагрузке в открытом состоянии при подаче соответствующего напряжения смещения, а в параллельной — в открытом состоянии диод шунтирует источник сигнала, замыкая на общий провод конденсаторы Ск. На рис.28 приведена комбинированная схема переключателя на D1, аналогичного рис.27, и элемента затухания на D2, D3. При подаче смещения в точку А затухание между источником сигнала и нагрузкой минимально. Если в точку В подать >0. +12 В, ток потечет через R1, D2, D3, R2 и в зависимости от его величины будет изменяться сопротивление D2, при этом часть входного ВЧ сигнала замыкается на землю через С4.
Простой переключатель двух ВЧ сигналов показан на рис.29. При переключении этой схемой фильтров, смесителей и т.д. следует учитывать, что в данный момент из двух источников может быть включен только один, а другой должен быть заземлен.
Сопротивление R1 определяется типом PIN-диода. PIN-диоды могут быть использованы как антенные переключатели прием/передача (рис.30).
Обычно между входом приемника и выходом передатчика включается четвертьволновая полосковая линия или аналогичной длины коаксиальный кабель (рис.30, снизу), а на KB — П-образный LC аналог четвертьволновой линии (рис.30, сверху). Значения L и С этой цепочки рассчитываются по формулам:
где Zo — в омах, f — в МГц, L — в мкГн, С — в пФ. При рабочей частоте 28 МГц, сопротивлении 50 Ом получаем L=0,28 мкГн и оба конденсатора по 113,7 пФ. Мощность потерь рассчитывается по формуле:
При выходной мощности 20 Вт, сопротивлении диода D1 в прямом включении 0,5 Ом мощность потерь будет 0,2 Вт. Если КСВ (S) на выходе заметно больше 1, мощность потерь с учетом КСВ (S) можно определить по формуле: