ไดโอด PIN

ชั้นต่างๆ ของไดโอด PIN
ประเภทส่วนประกอบ	เซมิคอนดักเตอร์
นักประดิษฐ์	จุน-อิจิ นิชิซาว่า[ 1 ]
ปีแห่งการประดิษฐ์	พ.ศ. 2493 [ 1 ]
สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์
ไดโอดอาจถูกระบุด้วยตัวอักษร "PIN" ในแผนภาพ

ไดโอด PINคือไดโอด ที่มี บริเวณสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ที่ไม่เจือปนกว้าง อยู่ระหว่าง บริเวณสารกึ่งตัวนำชนิด pและ บริเวณ สารกึ่งตัวนำชนิด n โดยทั่วไปแล้ว บริเวณชนิด p และชนิด n จะมีการเจือปน อย่างหนาแน่น เนื่องจากใช้สำหรับหน้าสัมผัสโอห์มิก

ช่วงค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่กว้างนั้นแตกต่างจากไดโอด p–n ทั่วไป ทำให้ไดโอด PIN มีประสิทธิภาพในการเรียงกระแส ต่ำกว่า (ซึ่งเป็นหน้าที่ทั่วไปอย่างหนึ่งของไดโอด) แต่ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานเป็นตัวลดทอนสัญญาณ สวิตช์ความเร็วสูง ตัวตรวจจับแสง และการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าแรงสูง

โฟโตไดโอด PIN ถูกคิดค้นโดยจุน-อิจิ นิชิซาวะและเพื่อนร่วมงานของเขาในปี 1950 เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

ไดโอด PIN ทำงานภายใต้สิ่งที่เรียกว่าการฉีดระดับสูงกล่าวคือ บริเวณ "i" ที่เป็นเนื้อแท้จะถูกท่วมด้วยตัวนำประจุจากบริเวณ "p" และ "n" การทำงานของมันเปรียบได้กับการเติมน้ำลงในถังที่มีรูอยู่ด้านข้าง เมื่อน้ำถึงระดับรู น้ำก็จะเริ่มไหลออกมา ในทำนองเดียวกัน ไดโอดจะนำกระแสไฟฟ้าเมื่ออิเล็กตรอนและโฮลที่ถูกท่วมถึงจุดสมดุล ซึ่งจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโฮลในบริเวณที่เป็นเนื้อแท้

เมื่อไดโอดได้รับไบแอสไปข้างหน้าความเข้มข้นของตัวนำที่ฉีดเข้าไปมักจะสูงกว่าความเข้มข้นของตัวนำภายในหลายอันดับ เนื่องจากการฉีดระดับสูงนี้ ซึ่งเป็นผลมาจากกระบวนการพร่องทำให้สนามไฟฟ้าแผ่ขยายลึก (เกือบตลอดความยาว) เข้าไปในบริเวณนั้น สนามไฟฟ้านี้ช่วยเร่งการขนส่งตัวนำประจุจากบริเวณ P ไปยังบริเวณ N ซึ่งส่งผลให้ไดโอดทำงานได้เร็วขึ้น ทำให้เป็นอุปกรณ์ที่เหมาะสมสำหรับการทำงานที่ความถี่สูง^{[ 2 ]}

ไดโอด PIN เป็นไปตามสมการไดโอดมาตรฐานสำหรับสัญญาณความถี่ต่ำ ที่ความถี่สูงขึ้น ไดโอดจะมีลักษณะคล้ายตัวต้านทานที่สมบูรณ์แบบ (เป็นเชิงเส้นมาก แม้สำหรับสัญญาณขนาดใหญ่) ไดโอด PIN มีประจุสะสมค่อนข้างมากในบริเวณอินทริสิก ที่หนา ที่ความถี่ต่ำพอ ประจุสะสมสามารถถูกกวาดออกไปจนหมดและไดโอดจะปิด ที่ความถี่สูงขึ้น จะไม่มีเวลาเพียงพอที่จะกวาดประจุออกจากบริเวณดริฟต์ ดังนั้นไดโอดจึงไม่ปิด เวลาที่ใช้ในการกวาดประจุสะสมออกจากจุดเชื่อมต่อของไดโอดเรียกว่าเวลาการฟื้นตัวย้อนกลับ (reverse recovery time)ซึ่งค่อนข้างยาวในไดโอด PIN สำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่กำหนด อิมพีแดนซ์ในสถานะเปิด และความถี่ RF ที่ใช้งานได้ต่ำสุด เวลาการฟื้นตัวย้อนกลับจะคงที่ คุณสมบัตินี้สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ ไดโอด PIN ชนิดหนึ่ง คือ ไดโอด ฟื้นตัวแบบขั้นบันได ( step recovery diode ) ใช้ประโยชน์จากการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์อย่างฉับพลันที่ปลายของการฟื้นตัวย้อนกลับเพื่อสร้างรูปคลื่นอิมพัลส์แคบๆ ที่มีประโยชน์สำหรับการคูณความถี่ด้วยตัวคูณสูงๆ

ความต้านทานความถี่สูงแปรผกผันกับกระแสไบแอส DC ที่ไหลผ่านไดโอด ดังนั้นไดโอด PIN ที่มีไบแอสที่เหมาะสมจึงทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานแบบแปรผัน ความต้านทานความถี่สูงนี้อาจแปรผันได้ในช่วงกว้าง (ตั้งแต่0.1 Ωถึง10 kΩในบางกรณี^{[ 3 ]}แต่ช่วงที่มีประโยชน์นั้นแคบกว่า)

ช่วงค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่กว้างยังหมายความว่าไดโอดจะมีค่าความจุต่ำเมื่อได้รับไบแอสย้อนกลับด้วย

ในไดโอด PIN บริเวณการพร่องประจุเกือบทั้งหมดอยู่ภายในบริเวณเนื้อใน บริเวณการพร่องประจุนี้มีขนาดใหญ่กว่าในไดโอด PN มาก และมีขนาดคงที่เกือบตลอดเวลา โดยไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันไบแอสย้อนกลับที่ใช้กับไดโอด ซึ่งทำให้ปริมาตรที่สามารถสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลโดยโฟตอนที่ตกกระทบเพิ่มขึ้น อุปกรณ์ ตรวจจับแสง บางชนิด เช่น โฟโตไดโอด PIN และโฟโตทรานซิสเตอร์ (ซึ่งรอยต่อฐาน-ตัวเก็บประจุเป็นไดโอด PIN) ใช้รอยต่อ PIN ในการสร้าง

การออกแบบไดโอดมีข้อแลกเปลี่ยนในการออกแบบอยู่บ้าง การเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของบริเวณอินทริสิกจะเพิ่มประจุที่เก็บไว้ ลดความต้านทาน RF ในสถานะเปิด ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความจุไบแอสย้อนกลับและเพิ่มกระแสขับที่จำเป็นในการกำจัดประจุในช่วงเวลาการสวิตช์คงที่ โดยไม่มีผลต่อเวลาขั้นต่ำที่จำเป็นในการกวาดประจุออกจากบริเวณ I การเพิ่มความหนาของบริเวณอินทริสิกจะเพิ่มประจุที่เก็บไว้ทั้งหมด ลดความถี่ RF ขั้นต่ำ และลดความจุไบแอสย้อนกลับ แต่จะไม่ลดความต้านทาน RF ในสถานะฟอร์เวิร์ดไบแอส และเพิ่มเวลาขั้นต่ำที่จำเป็นในการกวาดประจุแบบดริฟต์และการเปลี่ยนจากความต้านทาน RF ต่ำไปสูง ไดโอดมีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในรูปทรงเรขาคณิตที่หลากหลายสำหรับย่านความถี่ RF และการใช้งานเฉพาะ

ไดโอด PIN มีประโยชน์ในฐานะสวิตช์ RF , ตัวลดทอนสัญญาณ , โฟโตดีเทคเตอร์และตัวเปลี่ยนเฟส^{[ 4 ]}

ภายใต้สภาวะไบแอสศูนย์หรือไบแอสย้อนกลับ (สถานะ "ปิด") ไดโอด PIN จะมีค่าความจุ ต่ำ ค่าความจุต่ำนี้จะไม่สามารถส่งผ่านสัญญาณ RF ได้มากนัก แต่ภายใต้สภาวะไบแอสตรง 1 mA (สถานะ "เปิด") ไดโอด PIN ทั่วไปจะมีค่าความต้านทาน RF ประมาณ1 โอห์มทำให้เป็นตัวนำ RF ที่ดี ดังนั้น ไดโอด PIN จึงเป็นสวิตช์ RF ที่ดี

แม้ว่ารีเลย์ RF จะสามารถใช้เป็นสวิตช์ได้ แต่ก็สลับการทำงานค่อนข้างช้า (ประมาณหลายสิบมิลลิวินาที ) สวิตช์ไดโอด PIN สามารถสลับการทำงานได้เร็วกว่ามาก (เช่น1 ไมโครวินาที ) แม้ว่าที่ความถี่ RF ต่ำๆ นั้น ไม่สมเหตุสมผลที่จะคาดหวังว่าเวลาในการสลับการทำงานจะอยู่ในระดับเดียวกับคาบของ RF ก็ตาม

ตัวอย่างเช่น ค่าความจุของไดโอด PIN แบบแยกส่วนในสถานะ "ปิด" อาจมีค่า1 pFที่ความถี่320 MHzค่าความต้านทานเชิงความจุของ1 pFจะเท่ากับ497โอห์ม

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{\mathrm {diode} }&={\frac {1}{2\pi fC}}\\&={\frac {1}{2\pi (320\times 10^{6}\,\mathrm {Hz} )(1\times 10^{-12}\,\mathrm {F} )}}\\&=497\,\Omega \end{aligned}}}$

เมื่อใช้เป็นส่วนประกอบอนุกรมใน ระบบ 50 โอห์มค่าการลดทอนในสถานะปิดจะเป็นดังนี้:

${\displaystyle {\begin{aligned}A&=20\log _{10}\left({\frac {Z_{\mathrm {load} }+Z_{\mathrm {source} }}{Z_{\mathrm {source} }+Z_{\mathrm {diode} }+Z_{\mathrm {load} }}}\right)\\&=20\log _{10}\left({\frac {50\,\Omega +50\,\Omega }{50\,\Omega +497\,\Omega +50\,\Omega }}\right)\\&={15.52}\,\mathrm {dB} \end{aligned}}}$

การลดทอนนี้อาจไม่เพียงพอ ในการใช้งานที่ต้องการการแยกสัญญาณที่สูงขึ้น อาจใช้ทั้งส่วนประกอบแบบขนานและแบบอนุกรม โดยไดโอดแบบขนานจะถูกไบแอสในลักษณะเสริมกับส่วนประกอบแบบอนุกรม การเพิ่มส่วนประกอบแบบขนานจะช่วยลดอิมพีแดนซ์ของแหล่งกำเนิดและโหลดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดอัตราส่วนอิมพีแดนซ์ และเพิ่มการลดทอนในสถานะปิด อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นแล้ว การลดทอนในสถานะเปิดจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากความต้านทานอนุกรมของส่วนประกอบที่ปิดกั้นในสถานะเปิดและความจุของส่วนประกอบแบบขนานในสถานะปิด

สวิตช์ไดโอด PIN ไม่เพียงใช้สำหรับการเลือกสัญญาณเท่านั้น แต่ยังใช้สำหรับการเลือกส่วนประกอบด้วย ตัวอย่างเช่น ออสซิลเลเตอร์ที่ มีสัญญาณรบกวนเฟส ต่ำบางตัว ใช้สวิตช์ไดโอด PIN เพื่อสลับช่วงของตัวเหนี่ยวนำ^{[ 5 ]}

ด้วยการเปลี่ยนกระแสไบแอสที่ไหลผ่านไดโอด PIN ทำให้สามารถเปลี่ยนค่าความต้านทาน RF ได้อย่างรวดเร็ว

ที่ความถี่สูง ไดโอด PIN จะทำงานเสมือนตัวต้านทานที่มีความต้านทานแปรผกผันกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน ดังนั้น ไดโอด PIN จึงสามารถนำไปใช้ในวงจรลดทอนสัญญาณแบบปรับได้บางแบบ เช่น วงจรปรับความกว้างของสัญญาณ หรือวงจรปรับระดับสัญญาณเอาต์พุต

ไดโอด PIN อาจใช้เป็นตัวต้านทานแบบบริดจ์และแบบขนานในตัวลดทอนสัญญาณแบบบริดจ์-ที (bridged-T attenuator) อีกวิธีหนึ่งที่นิยมใช้คือการใช้ไดโอด PIN เป็นตัวต้านทานปลายทางที่เชื่อมต่อกับพอร์ต 0 องศาและ -90 องศาของตัวไฮบริดแบบควอดราเจอร์ (quadrature hybrid) สัญญาณที่จะลดทอนจะถูกป้อนเข้าที่พอร์ตอินพุต และผลลัพธ์ที่ลดทอนแล้วจะถูกรับจากพอร์ตแยก ข้อดีของวิธีนี้เมื่อเทียบกับวิธีบริดจ์-ที (bridged-T) และวิธีพาย (pi) คือ (1) ไม่จำเป็นต้องใช้การขับไบแอสของไดโอด PIN แบบเสริม—มีการใช้ไบแอสเดียวกันกับไดโอดทั้งสอง—และ (2) การสูญเสียในตัวลดทอนสัญญาณเท่ากับการสูญเสียการสะท้อนกลับของตัวต้านทานปลายทาง ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในช่วงกว้างมาก

ไดโอด PIN บางครั้งถูกออกแบบมาเพื่อใช้เป็นอุปกรณ์ป้องกันอินพุตสำหรับโพรบทดสอบความถี่สูงและวงจรอื่นๆ หากสัญญาณอินพุตมีขนาดเล็ก ไดโอด PIN จะมีผลกระทบน้อยมาก โดยจะมีเพียงความจุปรสิตเล็กน้อยเท่านั้น ต่างจากไดโอดเรียงกระแส ไดโอด PIN จะไม่แสดงความต้านทานที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่ความถี่ RF ซึ่งจะทำให้เกิดฮาร์โมนิกและผลิตภัณฑ์การผสมสัญญาณ หากสัญญาณมีขนาดใหญ่ เมื่อไดโอด PIN เริ่มเรียงกระแสสัญญาณ กระแสไฟฟ้าไปข้างหน้าจะประจุบริเวณดริฟต์ และอิมพีแดนซ์ RF ของอุปกรณ์จะแปรผกผันกับแอมพลิจูดของสัญญาณ ความต้านทานที่แปรผันตามแอมพลิจูดของสัญญาณนี้สามารถใช้เพื่อยุติส่วนที่กำหนดไว้ล่วงหน้าของสัญญาณในเครือข่ายตัวต้านทานที่กระจายพลังงาน หรือเพื่อสร้างความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ที่สะท้อนสัญญาณที่ตกกระทบกลับไปยังแหล่งกำเนิด วิธีหลังนี้อาจรวมกับตัวแยกสัญญาณ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่มีตัวหมุนเวียนที่ใช้สนามแม่เหล็กถาวรเพื่อทำลายความสมดุล และโหลดตัวต้านทานเพื่อแยกและยุติคลื่นที่เดินทางย้อนกลับ เมื่อใช้เป็นตัวจำกัดแบบขนาน ความต้านทานของไดโอด PIN จะต่ำตลอดวงจร RF ทั้งหมด ซึ่งแตกต่างจากไดโอดเรียงกระแสแบบคู่ที่จะแกว่งจากความต้านทานสูงไปสู่ความต้านทานต่ำในแต่ละวงจร RF ทำให้รูปคลื่นถูกจำกัดและไม่สะท้อนกลับอย่างสมบูรณ์ เวลาในการฟื้นตัวจากการแตกตัวเป็นไอออนของโมเลกุลก๊าซที่ช่วยให้สามารถสร้างอุปกรณ์ป้องกันอินพุตช่องว่างประกายไฟกำลังสูงได้นั้น อาศัยหลักการทางฟิสิกส์ที่คล้ายคลึงกันในก๊าซ

โฟโตไดโอด PIN ถูกคิดค้นโดยจุนอิจิ นิชิซาวะและเพื่อนร่วมงานของเขาในปี พ.ศ. 2493 ^{[ 1 ]}

โฟโตไดโอด PIN ใช้ในแผงวงจรและสวิตช์เครือข่ายใยแก้วนำแสง ในฐานะตัวตรวจจับแสง ไดโอด PIN มีไบแอสย้อนกลับ ภายใต้ไบแอสย้อนกลับ ไดโอดโดยปกติจะไม่นำไฟฟ้า (ยกเว้นกระแสไฟรั่วเล็กน้อยหรือ I _s ) เมื่อโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอเข้าสู่บริเวณพร่องของไดโอด มันจะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล สนามไบแอสย้อนกลับจะกวาดพาหะออกจากบริเวณนั้น ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ตัวตรวจจับบางชนิดสามารถใช้การคูณแบบอะวาแลนซ์ได้

กลไกเดียวกันนี้ใช้ได้กับโครงสร้าง PIN หรือจุดเชื่อมต่อแบบพินของเซลล์แสงอาทิตย์ในกรณีนี้ ข้อดีของการใช้โครงสร้าง PIN เหนือกว่าจุดเชื่อมต่อ p–n ของสารกึ่งตัวนำแบบดั้งเดิม คือการตอบสนองต่อคลื่นความยาวคลื่นยาวได้ดีกว่า ในกรณีของการฉายรังสีคลื่นความยาวคลื่นยาว โฟตอนจะทะลุเข้าไปในเซลล์ได้ลึก แต่เฉพาะคู่ของอิเล็กตรอน-โฮลที่เกิดขึ้นในและใกล้บริเวณการพร่องประจุเท่านั้นที่ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า บริเวณการพร่องประจุของโครงสร้าง PIN ขยายไปทั่วบริเวณเนื้อใน ลึกเข้าไปในอุปกรณ์ ความกว้างของการพร่องประจุที่มากขึ้นนี้ช่วยให้เกิดการสร้างคู่ของอิเล็กตรอน-โฮลได้ลึกเข้าไปในอุปกรณ์ ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพควอนตัมของเซลล์

โฟโตไดโอด PIN ที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์มีประสิทธิภาพควอนตัมสูงกว่า 80-90% ในช่วงความยาวคลื่นโทรคมนาคม (~1500 นาโนเมตร) และโดยทั่วไปทำจากเจอร์มาเนียมหรือInGaAsมีเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว (สูงกว่าโฟโตไดโอด pn) โดยทำงานที่ระดับหลายสิบกิกะเฮิร์ตซ์^{[ 6 ]}ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านโทรคมนาคมแบบออปติคอลความเร็วสูง ในทำนองเดียวกันโฟโตไดโอด pin ซิลิคอน^{[ 7 ]}มีประสิทธิภาพควอนตัมสูงกว่า แต่สามารถตรวจจับความยาวคลื่นที่สูงกว่าแบนด์แกปของซิลิคอนเท่านั้น เช่น ~1100 นาโนเมตร

โดย ทั่วไปเซลล์ฟิล์มบางซิลิคอนอสัณฐาน จะใช้โครงสร้าง PIN ในทางกลับกัน เซลล์ CdTeใช้โครงสร้าง NIP ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของโครงสร้าง PIN ในโครงสร้าง NIP ชั้น CdTe บริสุทธิ์จะถูกประกบด้วย CdS ที่เจือด้วยสาร n และ ZnTe ที่เจือด้วยสาร p โดยโฟตอนจะตกกระทบที่ชั้นที่เจือด้วยสาร n ซึ่งแตกต่างจากในไดโอด PIN

นอกจากนี้ โฟโตไดโอด PIN ยังสามารถใช้เป็นตัวตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์เพื่อตรวจจับรังสีไอออนไนซ์ได้ อีกด้วย

ในการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงสมัยใหม่ ความเร็วของตัวส่งและตัวรับแสงเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุด เนื่องจากพื้นผิวของโฟโตไดโอดมีขนาดเล็ก จึงทำให้ความจุปรสิต (ที่ไม่ต้องการ) ลดลง แบนด์วิดท์ของโฟโตไดโอดแบบพินสมัยใหม่สามารถเข้าถึงช่วงคลื่นไมโครเวฟและมิลลิเมตรได้^{[ 8 ]}

SFH203 และ BPW34 เป็นไดโอด PIN อเนกประสงค์ราคาประหยัด บรรจุในตัวเรือนพลาสติกใสขนาด 5 มม. และมีแบนด์วิดท์มากกว่า 100 MHz

• สายเคเบิลใยแก้วนำแสง
• ปัญหาคอขวดของการเชื่อมต่อ
• การสื่อสารด้วยแสง
• การเชื่อมต่อทางแสง
• อินเทอร์เฟซออปติคอลแบบขนาน
• ไดโอดกู้คืนขั้นบันได

• คู่มือสำหรับนักออกแบบไดโอด PIN
• ไดโอดจำกัดสัญญาณ PIN ในอุปกรณ์ป้องกันตัวรับสัญญาณ เอกสารประกอบการใช้งานของ Skyworks