PIN diodas yra specialus puslaidininkinis diodas, skirtas aukšto dažnio signalo valdymui, o ne paprastam ištaisymui. Jo unikali P–I–N struktūra leidžia jam elgtis kaip kintamasis rezistorius į priekį ir kondensatorius atvirkštinėje poslinkyje. Dėl šio šališkumo kontroliuojamo elgesio PIN diodai yra plačiai naudojami RF ir mikrobangų sistemose perjungimui, slopinimui, apsaugai ir fazių valdymui.
Kas yra PIN diodas?
PIN diodas (teigiamas–vidinis–neigiamas diodas) yra puslaidininkinis diodas, sudarytas iš trijų sričių: P tipo sluoksnio, vidinio (nedopinguoto arba lengvai legiruoto) sluoksnio ir N tipo sluoksnio. Skirtingai nuo standartinio PN diodo, vidinė sritis padidina išeikvojimo plotį, todėl įrenginys gali efektyviai valdyti aukšto dažnio signalą RF ir mikrobangų grandinėse.
PIN diodo struktūra
PIN diodas naudoja P–I–N sluoksniuotą struktūrą, kurioje tarp P tipo ir N tipo puslaidininkinių medžiagų yra vidinė sritis. Ši sluoksniuota konstrukcija palaiko kontroliuojamą aukšto dažnio veikimą, nes vidinė sritis gali kaupti krūvį į priekį ir suformuoti platų išeikvojimo regioną atvirkštiniu poslinkiu.
• P tipo sluoksnis (teigiamas): dopingas, kad susidarytų didelė skylių koncentracija. Jis sudaro teigiamą diodo pusę ir palaiko skylės įpurškimą poslinkio į priekį metu.
• Vidinis sluoksnis (I sluoksnis): nedopinguota arba lengvai legiruota medžiaga, sudaranti centrinę sritį. Jis užtikrina didelę varžą ir tampa pagrindiniu nešiklio saugojimo ir išeikvojimo elgsenos regionu.
• N tipo sluoksnis (neigiamas): dopingas, kad būtų sukurta didelė elektronų koncentracija. Jis sudaro neigiamą diodo pusę ir palaiko elektronų įpurškimą priekinio poslinkio metu.
PIN diodo konstrukcija
PIN diodas gaminamas viename įrenginyje suformuojant tris puslaidininkinius regionus: P sritį, vidinę (I) sritį ir N sritį. P sritis sukuriama naudojant akceptorių dopingą, o N sritis formuojama naudojant donoro dopingą. Vidinė sritis pagaminta iš neapdorotos arba lengvai legiruotos medžiagos, todėl išlaiko didesnę varžą nei išorinės sritys.
Praktinėje gamyboje PIN diodai dažniausiai gaminami naudojant epitaksinio sluoksnio augimą, kartu su difuzija arba jonų implantacija, siekiant apibrėžti P ir N regionus. Suformavus sankryžas, pridedami metaliniai kontaktai ir apsauginiai paviršiaus sluoksniai, siekiant pagerinti elektros jungtį ir ilgalaikį stabilumą.
PIN diodai paprastai gaminami naudojant du pagrindinius konstrukcijos stilius:
• Mesa struktūra: Mesa struktūroje įrenginio sritys suformuojamos į iškilusią formą su išgraviruotais laipteliais. Ši konstrukcija užtikrina gerą izoliaciją ir dažnai naudojama, kai svarbu kontroliuojama geometrija ir stabilus veikimas.
• Plokštuminė struktūra: plokštuminėje struktūroje P ir N sritys formuojamos šalia paviršiaus, naudojant plokštumos gamybos metodus. Šis stilius plačiai naudojamas šiuolaikinėje gamyboje, nes palaiko geresnį vienodumą, lengvesnę masinę gamybą ir didesnį ilgalaikį RF ir mikrobangų dizaino patikimumą.
PIN diodo veikimo principas
PIN diodas kontroliuoja nešiklio judėjimą savo konstrukcijos viduje skirtingomis poslinkio sąlygomis. Kaip ir standartiniai diodai, jis daugiausia veikia priekiniu ir atvirkštiniu poslinkiu, tačiau vidinis sluoksnis daro didelę įtaką srovės srauto ir išeikvojimo elgsenai.
Pirmyn šališka būklė
• elektronai iš N srities ir skylės iš P srities juda į vidinę sritį
• išeikvojimo sritis tampa mažesnė
• laidumas didėja kylant srovei
Kai nešikliai užpildo vidinę sritį, jo varža mažėja. Tai sumažina efektyvią diodo vidinę varžą, todėl PIN diodas gali veikti kaip valdomas mažos varžos įrenginys RF signalo keliuose.
Priekinio poslinkio įkrovimo saugykla
Esant poslinkiui į priekį, įpurškiami nešikliai trumpam laikomi vidiniame sluoksnyje, o ne iš karto rekombinuojasi. Šis sukauptas krūvis sumažina diodo efektyvią RF varžą ir pagerina perjungimo ir slopinimo programų našumą.
Sukauptas krūvis paprastai išreiškiamas taip:
Q = I₍F₎ τ
čia:
• I₍F₎ = tiesioginė srovė
• τ = nešiklio rekombinacijos trukmė
Didėjant priekinei srovei, didėja sukauptas krūvis, o diodo efektyvi RF varža tampa mažesnė.
Atvirkštinė šališka būklė
• išeikvojimo sritis plečiasi per vidinį sluoksnį
• saugomi vežėjai iššluojami iš I regiono
• laidumas sustoja ir lieka tik labai maža nuotėkio srovė
Esant didesniam atvirkštinio poslinkio lygiui, vidinė sritis visiškai išeikvojama, o tai reiškia, kad joje yra labai mažai laisvųjų nešiklių. Tai leidžia PIN diodui efektyviai blokuoti signalo laidumą.
PIN diodas kaip kondensatorius
Atvirkštinis šališkumas:
• P sritis ir N sritis veikia kaip dvi kondensatoriaus plokštės
• vidinis sluoksnis veikia kaip izoliacinis tarpas
Talpa:
C = εA / w
čia:
• ε = medžiagos dielektrinė konstanta
• A = sankryžos plotas
• w = vidinis sluoksnio storis
Šis elgesys yra svarbus perjungiant RF, nes mažesnė talpa pagerina signalo izoliaciją OFF būsenoje.
PIN diodo charakteristikos
• Maža atvirkštinio poslinkio talpa: vidinis sluoksnis padidina atstumą tarp P ir N sričių, sumažina jungties talpą ir pagerina OFF būsenos izoliaciją RF perjungimo metu.
• Aukšta gedimo įtampa: platesnė išeikvojimo sritis leidžia diodui toleruoti didesnę atvirkštinę įtampą prieš gedimą, palyginti su standartiniais PN jungties diodais.
• Nešiklio saugojimo galimybė: Esant priekiniam poslinkiui, vidinėje srityje laikomi nešikliai sumažina RF varžą, todėl diodas palaiko kontroliuojamą slopinimą ir mažų nuostolių laidumą.
• Stabilus aukšto dažnio veikimas: PIN struktūra palaiko nuspėjamą elgesį RF ir mikrobangų sistemose, todėl ji patikima perjungimo, apsaugos ir signalo kondicionavimo užduotims atlikti.
PIN diodo taikymas
• RF perjungimas: naudojamas greitam RF signalų įjungimui / išjungimui belaidžiuose įrenginiuose, radarų sistemose ir ryšio įrangoje. PIN diodai užtikrina mažus įterpimo nuostolius ON būsenoje ir stiprią izoliaciją OFF būsenoje.
• Įtampos / srovės valdomi slopintuvai: reguliuoja RF signalo stiprumą, keisdamas vidinėje srityje sukauptą krūvį per poslinkio srovę. Tai naudinga imtuvo stiprinimo valdymo ir apsaugos grandinėse.
• RF ribotuvai ir apsaugos grandinės: apsaugo jautrius imtuvo priekinius galus nuo didelės galios RF impulsų, apribodamas pernelyg didelius įvesties signalus.
• RF fazių perjungikliai: naudojami fazių masyvo antenose ir spindulio valdymo sistemose, kad būtų galima perjungti signalo fazę lygiavimui ir krypties valdymui.
• T/R (perdavimo / priėmimo) perjungimo tinklai: paplitę radarų ir ryšių sistemose, skirtose signalams nukreipti tarp siųstuvo ir imtuvo kelių su greitu perjungimu.
Lygiavertė PIN diodo grandinė
PIN diodai dažnai vaizduojami naudojant supaprastintą lygiavertį grandinės modelį, kad būtų galima numatyti našumą RF ir mikrobangų programose. Šis modelis sujungia pagrindinį diodo elektrinį elgesį su parazitiniais elementais, kuriuos sukelia pakuotė ir jungtys.
Pirmyn šališkumas (ON būsenos modelis)
Kai PIN diodas yra nukreiptas į priekį, jis daugiausia elgiasi kaip mažos vertės rezistorius, todėl modelis paprastai apima:
• Serijinė varža (Rs): reiškia valdomą RF varžą, kuri mažėja didėjant priekinei poslinkio srovei.
• Serijinis induktyvumas (Ls): sukelia laidai, jungiamieji laidai ir prietaiso struktūra. Šis efektas tampa labiau pastebimas esant aukštiems dažniams.
RF perjungimo metu mažas Rs reiškia mažus įterpimo nuostolius ON būsenoje.
Atvirkštinis šališkumas (OFF būsenos modelis)
Kai atvirkštinis poslinkis, vidinis sluoksnis yra visiškai išeikvotas, o PIN diodas elgiasi daugiausia kaip kondensatorius, todėl modelį paprastai sudaro:
• Sankryžos talpa (Cj): pagrindinis diodo talpinis elgesys esant atvirkštiniam poslinkiui.
• Pakuotės talpa (Cp): nukrypimas nuo pakuotės struktūros, dažnai modeliuojamas lygiagrečiai.
• Serijinis induktyvumas (Ls): gali turėti įtakos izoliacijai ir perjungimui mikrobangų dažniais.
RF perjungimo metu maža talpa reiškia geresnę izoliaciją OFF būsenoje.
Esant žemesniems nei 1 GHz dažniams, parazitinis poveikis gali būti pakankamai mažas, kad supaprastintas modelis veiktų gerai. Tačiau esant aukštesniems RF ir mikrobangų dažniams, pakuotės dydis, PCB išdėstymas ir medžiagos savybės tampa labai svarbūs. Tokiais atvejais turi būti įtrauktas parazitinis induktyvumas ir talpa, kad būtų galima tiksliai suprojektuoti ir patikimai veikti.
PIN diodo ir PN jungties diodų palyginimas
| Veiksnys | PIN diodas | PN jungties diodas |
|---|---|---|
| Struktūra | Trijų sluoksnių struktūra (P–I–N) | Dviejų sluoksnių struktūra (P–N) |
| Vidinis regionas | Dabartis (anundopuotas vidinis sluoksnis sukuria platų išeikvojimo regioną) | Nėra (sankryžą sudaro tik P ir N regionai) |
| Pagrindinė operacija | Veikia kaip kintamas rezistorius į priekį ir gerai veikia signalo valdymui | Daugiausia naudojamas rektifikacija ir standartinis diodų laidumas |
| Perjungimo greitis | Labai greitas, tinka didelės spartos RF perjungimui | Lėtesnis, ribojamas sukaupto įkrovimo ir atkūrimo efektų |
| Atvirkštinis atkūrimas | Mažas atbulinės eigos atstatymas, sumažinantis perjungimo nuostolius | Didesnis atvirkštinis atkūrimas, ypač galios lygintuvų tipuose |
| Atvirkštinio poslinkio talpa | Maža talpa, geriau aukšto dažnio veikimui | Didesnė talpa, kuri gali turėti įtakos aukšto dažnio signalams |
| Įprastos programos | RF perjungimas, slopintuvai, fazių perjungikliai, ribotuvai ir kai kurie SMPS dizainai | Lygintuvai, įtampos reguliavimas, apsauginės grandinės ir bendras diodų naudojimas |
Išvada
PIN diodai išsiskiria iš standartinių PN jungties diodų, nes jų vidinis sluoksnis pagerina aukšto dažnio veikimą, galios valdymą ir perjungimo elgseną. Perjungdami varžinį ir talpinį veikimą, priklausomai nuo poslinkio, jie tampa pagrindiniais RF dizaino elementais. Suprasdami jų struktūrą, darbo režimus, lygiavertę grandinę ir apribojimus, galite pasirinkti tinkamą įrenginį patikimoms perjungimo ir signalo valdymo programoms.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kaip pasirinkti tinkamą RF jungiklio PIN diodą?
Pasirinkite pagal dažnių diapazoną, įterpimo praradimą, izoliaciją, galios valdymą ir perjungimo greitį. Taip pat patikrinkite jungties talpą (Cj) dėl OFF būsenos izoliacijos ir serijinės varžos (Rs) dėl ON būsenos nuostolių.
Kokios priekinės poslinkio srovės reikia norint įjungti PIN diodą RF grandinėse?
Daugumai RF PIN diodų reikia pastovios priekinės poslinkio srovės (dažnai nuo kelių mA iki dešimčių mA), kad būtų pasiektas mažas pasipriešinimas. Tiksli vertė priklauso nuo įrenginio tipo ir reikalingo įterpimo praradimo našumo.
Kodėl PIN diodams reikalingas šališkas tinklas RF konstrukcijose?
Šališkas tinklas tiekia nuolatinės srovės valdymo srovę / įtampą netrikdant RF signalo. Dizaineriai paprastai naudoja RF droselius, rezistorius ir nuolatinės srovės bloko kondensatorius, kad RF būtų izoliuotas ir kontroliuotų diodų varžą.
Ar PIN diodas gali pakeisti Schottky diodą ištaisymui?
Ne paprastai. PIN diodai yra optimizuoti RF signalo valdymui, o ne mažų nuostolių ištaisymui. Schottky diodai yra geresni lygintuvams, nes jie turi mažesnį priekinės įtampos kritimą ir greitesnį perjungimą galios konvertavimui.
Kokios yra dažniausios PIN diodo gedimo priežastys RF sistemose?
Dažniausios priežastys yra per didelė RF galia, perkaitimas, neteisingas šališkumas ir ESD pažeidimai. Didelės galios RF keliuose prasta šiluminė konstrukcija taip pat gali padidinti nuotėkį ir laikui bėgant pabloginti perjungimo našumą.