מהם העקרונות והיישומים של דיודות PIN? (חלק 1 )

פוטודיודת PINהוא התקן מוליכים למחצה המורכב מצומת PIN הממיר אות אופטי לאות חשמלי המשתנה עם שינוי האור. הוא מכוון לחסר של PD כללי, המבנה משופר, והרגישות גבוהה מזו של פוטודיודה כללית של צומת PN, ויש לו את המאפיינים של הולכה חד-כיוונית.

1. עיקרון ומבנה של דיודת PIN

הדיודה הכללית מורכבת מחומר מוליכים למחצה מסוממים מסוג N וחומר מוליכים למחצה מסוממים מסוג P למחצה ישירות ליצירת צומת PN. דיודת ה-PIN מיועדת להוסיף שכבה דקה של מוליכים פנימיים בעלי סימום נמוך בין החומר המוליך למחצה מסוג P לחומר המוליך למחצה מסוג N.

תרשים המבנה של דיודת ה-PIN מוצג באיור 1 מכיוון שהמוליך למחצה המהותי דומה למדיום, זה שווה ערך להגדלת המרחק בין שתי האלקטרודות של קבל הצומת PN, כך שקבל הצומת הופך קטן. שנית, רוחב שכבת הדלדול במוליכים למחצה מסוג P ובמוליכים למחצה מסוג N מתרחב עם עליית המתח ההפוך, וגם קיבול הצומת קטן עם עליית ההטיה ההפוכה. בשל קיומה של שכבה I, ואזור P הוא בדרך כלל דק מאוד, הפוטון הנוצר יכול להיספג רק בשכבה I, וההטיה ההפוכה מתרכזת בעיקר באזור I, ויוצרים אזור שדה חשמלי גבוה, והנשא שנוצר בפוטו באזור I מאיץ תחת פעולת השדה החשמלי החזק, כך שקבוע זמן המעבר של הנשא יורד, ובכך משפר את תגובת התדר של הפוטודיודה. במקביל, הכנסת שכבה I מגדילה את אזור הדלדול ומרחיבה את אזור העבודה האפקטיבי של ההמרה הפוטואלקטרית, ובכך משפרת את הרגישות.

ישנם שני מבנים בסיסיים של דיודת PIN, כלומר, מבנה המישור ומבנה המסה, כפי שמוצג באיור 2. עבור דיודות צומת Si-pin133, ריכוז הנשא של שכבה I נמוך מאוד (בערך 10 ס"מ בסדר של גודל), ההתנגדות גבוהה מאוד (כ-k-ס"מ בסדר גודל), והעובי W בדרך כלל עבה (בין 10 ל-200 מ'); ריכוז הסימום של מוליכים למחצה מסוג P ו-N משני צידי שכבת I הוא בדרך כלל גבוה מאוד.

ניתן לייצר את שכבות ה-I של מבנים מישוריים ומזהים גם יחד על ידי טכנולוגיית אפיטקסיה, ואת שכבות ה-p פלוס המסוימות מאוד ניתן להשיג על ידי דיפוזיה תרמית או השתלת יונים. דיודות מישוריות ניתן לייצר בקלות על ידי תהליכים מישוריים קונבנציונליים. גם דיודה של מבנה mesa צריכה להיות מפוברקת (על ידי תחריט או חריץ). היתרונות של מבנה mesa הם:

① החלק הכיפוף של צומת המטוס מוסר, ומתח התמוטטות פני השטח משופר;

②קיבול הקצה וההשראות מופחתים, מה שמסייע לשיפור תדר הפעולה.

2. מצב דיודת PIN תחת הטיה שונה

① סחיפה חיובית כלפי מטה

כאשר דיודת ה-PIN מופעלת במתח קדימה, שומות רבות באזור P ו-N יוזרקו לאזור I וישולבו מחדש באזור I. כאשר נשא ההזרקה והנשא המורכב שווים, הזרם I מגיע לשיווי משקל. לשכבה הפנימית יש התנגדות נמוכה עקב הצטברות של מספר רב של נשאים, כך שכאשר דיודה PIN מוטה קדימה, יש לה מאפיין התנגדות נמוך. ככל שההטיה קדימה גדולה יותר, כך הזרם המוזרק לשכבת ה-I גדול יותר, ויותר נשאים בשכבת ה-I, מה שהופך את ההתנגדות שלה לקטן יותר. איור 3 הוא דיאגרמת המעגל המקבילה בהטיה חיובית, וניתן לראות שהוא שווה ערך להתנגדות קטנה עם ערך התנגדות בין 0.1Ω ל-10Ω.

② אפס סטייה

כאשר לא מופעל מתח בשני הקצוות של דיודת ה-PIN, מכיוון ששכבת I בפועל מכילה כמות קטנה של זיהומים מסוג P, בממשק IN, החורים באזור I מתפזרים לאזור N, והאלקטרונים ב- אזור N מתפזר לאזור I, ואז יוצרים אזור מטען חלל. מכיוון שריכוז הטומאה באזור I נמוך מאוד בהשוואה לזה שבאזור N, רוב אזור הדלדול נמצא כמעט באזור I. בממשק PI, בגלל הפרש הריכוזים (ריכוז החור באזור P גדול בהרבה מ שבאזור I), תתרחש גם תנועת דיפוזיה, אבל ההשפעה שלה קטנה בהרבה מזו שבממשק IN וניתן להתעלם ממנה. לכן, בהטיה אפסית, דיודת ה-PIN מציגה מצב התנגדות גבוה עקב קיומו של אזור דלדול באזור I.

③ הפוך הטיה כלפי מטה

ההטיה ההפוכה דומה מאוד להטיה האפסית, אלא שהשדה החשמלי המובנה מתחזק, והאפקט הוא הרחבת אזור מטען החלל של צומת IN, בעיקר לכיוון אזור I. בשלב זה, דיודת ה-PIN יכולה להיות שווה ערך להתנגדות פלוס קיבול, ההתנגדות היא ההתנגדות הנותרת של האזור הפנימי, והקיבול הוא קיבול המחסום של אזור הדלדול. איור 4 הוא תרשים המעגל המקביל של דיודת ה-PIN בהטיה הפוכה, וניתן לראות שטווח ההתנגדות הוא בין 1Ω ל-100Ω, וטווח הקיבול הוא בין 0.1pF ל-10 PF. כאשר ההטיה ההפוכה גדולה מדי, כך שאזור הדלדול ממלא את כל אזור I, תתרחש חדירת אזור I, וצינור ה-PIN לא יעבוד כרגיל.

פרטי התקשרות:

אם יש לך רעיונות, אתה מוזמן לדבר איתנו. לא משנה היכן נמצאים הלקוחות שלנו ומהן הדרישות שלנו, אנו נפעל לפי המטרה שלנו לספק ללקוחותינו איכות גבוהה, מחירים נמוכים, והשירות הטוב ביותר.