اصول دیود PIN

دیود PIN وسیله ی نیمه هادی است که به عنوان یک مقاومت متغیر در فرکانسهای RF و مایکروویوی عمل می کند. مقدار مقاومت دیود PIN به تنهائی توسط جریان dc بایاس مستقیم آن مشخص می شود.
دیود PIN وسیله ی نیمه هادی است که به عنوان یک مقاومت متغیر در فرکانسهای RF و مایکروویوی عمل می کند. مقدار مقاومت دیود PIN به تنهائی توسط جریان dc بایاس مستقیم آن مشخص می شود.

 

دیود PIN می بایست در کاربردهای سوئیچ و تضعیف کننده به طور ایده آلی سطح سیگنال RF را بدون اعوجاج کنترل کند زیرا ممکن است باعث تغییراتی در شکل سیگنال RF شود. مشخصه ی مهم و افزوده ی این دیودها توانائی آنها در کنترل سیگنالهای RF بزرگ در هنگامی است که از سطح تحریک dc بسیار کمی استفاده می کنند.
مدلی از دیود PIN در شکل ۱ نشان داده شده است. این چیپ با شروع از یک ویفر تهیه می شود که اغلب به طور ذاتی سیلیکون خالص است و عمر زیادی دارد. سپس ناحیه ی P روی یک سطح و ناحیه ی N روی سطح دیگر تزریق می شوند. ضخامت W ناحیه ی ایجاد شده یا ناحیه-I تابعی از ضخامت ویفر سیلیکونی پایه است و مساحت چیپ A وابسته به این است که به چه مقدار بخش های کوچکی از ویفر اصلی تعریف شده است.
کارایی دیود PIN در ابتدا وابسته به ظاهر چیپ و طبیعت نیمه هادی دیود ساخته شده خصوصاً در ناحیه-I است. اگر ضخامت ناحیه-I کنترل شود، طول عمر بالای عبور حامل و مقاومت بالای آن را به همراه خواهد داشت. این مشخصات توانائی کنترل سیگنال RF را با کمترین اعوجاج بهبود می بخشند آن هم در مواقعی که نیازمند استفاده از منبع تغذیه ی dc سطح پائین هستیم.

دیود PIN در بایاس مستقیم

هنگامیکه که دیود PIN در بایاس مستقیم است، حفره ها و الکترونها از نواحی P و N به ناحیه-I انتشار می یابند. این بارها به سرعت ترکیب مجدد نمی شوند و در عوض مقدار محدودی از بارها برای همیشه در ناحیه-I باقی مانده و مقاومت آن را کاهش می دهند. مقدار بار ذخیره شده Q به زمان ترکیب مجدد، τ عمرحامل، و جریان بایاس مستقیم IF وابسته است(رابطه ی ۱):

مقاومت RS ناحیه-I تحت بایاس مستقیم به طور معکوس به Q وابسته بوده و ممکن است به شکل زیر بیان شود(رابطه ی ۲):

از ترکیب روابط ۱ و ۲ رابطه ای برای RS بدست می آید که به عنوان تابعی معکوس از جریان است(رابطه ی ۳):

این رابطه مستقل از مساحت است ولی در دنیای واقعی، RS کمی به مساحت وابسته است آن هم از این جهت که عمر موثر با مساحت و ضخامت (ناشی از ترکیب مجدد لبه) تغییر می کند. به طور نمونه، دیودهای PIN مشخصه مقاومت مشابه آنچه در شکل ۲ رسم شده است را دارند. مقاومت در حدود ۰٫۱ اهم در جریان بایاس مستقیم ۱A به حدود ۱۰K اهم در جریان بایاس مستقیم ۱uA افزایش می یابد که بازه ای خوب برای دیود PIN است.

ماکزیمم مقاومت بایاس مستقیم (RS(max برای یک دیود PIN معمولاً در جریان بایاس مستقیم ۱۰۰mA مشخص می شود. در بعضی مواقع (RS(min توسط جریان بایاس مستقیم ۱

۰uA مشخص می شود. این مشخصه ها یک بازه ی وسیع از مقاومت دیود را تضمین می کنند که خصوصاً در کاربردهای تضعیف کننده مهم است. در فرکانسهای پائینتر، RS ثابت نیست ولی با کاهش فرکانس، افزایش می یابد. دیودهای PIN معمولی که برای کار در فرکانسهای RF و مایکروویوی طراحی شده اند این افزایش در مقاومت RS را در بازه ی ۱MHz تا ۱۰MHz نشان می دهند. مثال خوب از این بازه ی فرکانسی سری UM2100 هستند. محدودیت عملی در مقاومت پائین از القای مزاحم بسته بندی و مقاومت اتصال پایه ها نتیجه می شود. بازه ی وسیع مقاومت دیود PIN معمولاً توسط اثر خازن دیود CT محدود می شود. برای تحقق بخشیدن به ماکزیمم رنج

دینامیکی دیود PIN در فرکانسهای بالا، این راکتانس دیود می بایست تنظیم شود.
باید توجه داشت که اثر پوستی در هادیهای نسبتاً ضعیف نظیر سیلیکون به نسبت هادیهای خوب فلزی کمتر مورد توجه قرار می گیرند و این قضیه از این جا نشعت می گیرد که عمق پوستی با ریشه ی دوم هدایت ماده ی هدایت کننده متناسب است. بنابراین، سیگنالهای RF عمیقاً در نیمه هادی رسوخ می کنند و اثر پوستی فاکتور مهمی برای فرکانسهای زیر باند X نمی باشد. (۸٫۲GHz تا ۱۲٫۴GHz)
در dc و فرکانسهای بسیار پائین دیود PIN مشابه دیود PN بوده و مقاومت دیود توسط مقاومت دینامیکی مشخصه ی I-V در هر نقطه بایاس مشخص می شود. به هر حال مقاومت دینامیکی نقطه ی dc در دیود PIN برای فرکانسهای بالائی که در آنها پریود کوتاهتر از زمان گذر از ناحیه-I هستند معتبر نمی باشد. فرکانسی که چنین پدیده ای در آن رخ می دهد، fT، فرکانس زمان گذر نامیده می شود و می تواند محدودیت فرکانسی پائین تری را با آنچه رابطه ۳ اعمال می کند در نظر بگیرد. این محدودیت فرکانس پائینتر در ابتدا تابعی از W، ضخامت ناحیه-I بوده و می تواند به این صورت بیان شود(رابطه ی ۴):

که W، ضخامت ناحیه-I بر حسب میکرون(میلیونیم متر) است. برای نمونه این فرکانس پائین از تقریباً ۵KHz برای ضخیم ترین دیودها (سری UM2100 و UM2300) تا تقریباً ۱MHz برای نازک ترین دیودها (سری UM6200 و UM7200) گسترگی دارد.

دیود PIN در بایاس معکوس

در فرکانسهای RF بالا وقتی که یک دیود PIN در بایاس صفر یا معکوس است مانند یک خازن با صفحات موازی ظاهر می شود که ضرورتاً مستقل از ولتاژ بایاس معکوس به صورت زیر بدست می آید(رابطه ی ۵):

پائین ترین فرکانسهائی که این اثر شروع به نمایان شدن می کند واب

سته به فرکانس آسایش دی الکتریک ناحیه-I است که ممکن است توسط رابطه ای مانند زیر محاسبه شود(رابطه ی ۶):

برای نمونه، فرکانس آسایش دی الکتریک زیر ۲۰MHz رخ می دهد و خازن بسته ای کل CT در اکثر دیودها در بایاس صفر در ۱۰۰MHz مشخص می شود. اطلاعات بیشتر در فرم منحنی های مرسوم بدست می آیند که تغییرات خازنی را به عنوان تابعی از بایاس معکوس در فرکانسهای پائین نشان می دهند.
در فرکانسهای بسیار پائینتر از fT، مشخصه ی خازنی دیود PIN با یک دیود ورکتور همانندی می کند. بدلیل محدودیت فرکانسی در تجهیزات تست مرسوم، اندازه گیریهای خازنی اغلب در ۱MHz بدست می آیند. در این فرکانس خازن کل CT با اعمال یک ولتاژ بایاس کافی که ناحیه-I را به طور کامل از حامل ها تخلیه می کند مشخص خواهد شد. در کنار خازن دیود یک مقاومت موازی RP نیز وجود دارد که بیان کننده تلفات و پراکندگی های خالص در دیود بایاس معکوس است. در ولتاژهای معکوس پائین، مقاومت محدود ناحیه-I باعث ایجاد یک خازن با تلفات در ناحیه-I است. همین طور که ولتاژ بایاس افزایش می یابد حامل های بیشتری از ناحیه-I تخلیه شده و موجبات ایجاد یک خازن سیلیکونی بی تلف را فراهم می کنند. مقاومت موازی بایاس معکوس RP، توسط هر مقاومت سری با نیمه هادی یا اتصال دیود نیز تحت تأثیر قرار می گیرد.

مدار معادل

در شکل فوق یک نمونه از نمونه های مختلف دیود PIN به همراه مدار معادل آن ر
سم شده که ممکن است در حالت کلی با مدار معادل های دیگر فرق داشته باشد. به دلیل غیاب سیم ها یا نوارهای کوچک، خازن بسته بندی مستقیماً موازی با چیپ PIN است، به طور مجازی هیچ اندوکتانس بسته بندی داخلی برای

در نظر گرفتن وجود ندارد مانند موردی که در مورد دیودهای PIN مرسوم است. پس از اتمام بسته بندی و برقراری ارتباط میان چیپ سیلیکونی و پایه های فلزی و ترکیب شده با مساحت نسبتاً بزرگ چیپ، بدون شک مقاومت اتصال ناچیزی را نتیجه می دهد. بنابراین مقاومت سری باقیمانده در تمام اهداف عملی موجود است مگر آنکه دیود خوبی داشته باشید.