पिन डायोड

एक पिन डायोड की परतें

एक पिन डायोड एक पी-टाइप अर्धचालक और एक एन-प्रकार सेमीकंडक्टर क्षेत्र के बीच एक विस्तृत, अनडोप्ड इंट्रिंसिक अर्धचालक क्षेत्र के साथ एक डायोड है।पी-प्रकार और एन-प्रकार के क्षेत्र आमतौर पर भारी डोप किए जाते हैं क्योंकि वे ओमिक संपर्कों के लिए उपयोग किए जाते हैं।

विस्तृत आंतरिक क्षेत्र एक साधारण पी -एन डायोड के विपरीत है।विस्तृत आंतरिक क्षेत्र पिन डायोड को एक अवर रेक्टिफायर (एक डायोड का एक विशिष्ट कार्य) बनाता है, लेकिन यह इसे एटेन्यूएटर्स, फास्ट स्विच, फोटोडेटेक्टर्स और उच्च-वोल्टेज पावर इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है।

पिन फोटोडायोड का आविष्कार जून-इची निशिजावा और उनके सहयोगियों द्वारा 1950 में किया गया था। यह एक अर्धचालक उपकरण है।

ऑपरेशन

एक पिन डायोड उच्च-स्तरीय इंजेक्शन के रूप में जाना जाता है। दूसरे शब्दों में, आंतरिक I क्षेत्र पी और एन क्षेत्रों से चार्ज वाहक के साथ भर गया है। इसके कार्य की तुलना साइड पर एक छेद के साथ पानी की बाल्टी को भरने के लिए की जा सकती है। एक बार जब पानी छेद के स्तर तक पहुंच जाता है तो यह बाहर डालना शुरू कर देगा। इसी तरह, डायोड एक बार बाढ़ वाले इलेक्ट्रॉनों और छेदों को एक संतुलन बिंदु तक पहुंचने के बाद वर्तमान का संचालन करेगा, जहां इलेक्ट्रॉनों की संख्या आंतरिक क्षेत्र में छेद की संख्या के बराबर है। जब डायोड पी -एन डायोड#फॉरवर्ड बायस होता है। फॉरवर्ड बायस्ड, इंजेक्टेड वाहक एकाग्रता आमतौर पर आंतरिक वाहक एकाग्रता की तुलना में अधिक परिमाण के कई आदेश होते हैं। इस उच्च स्तरीय इंजेक्शन के कारण, जो बदले में कमी की प्रक्रिया के कारण होता है, विद्युत क्षेत्र क्षेत्र में गहराई से (लगभग पूरी लंबाई) तक फैलता है। यह विद्युत क्षेत्र पी से एन क्षेत्र तक चार्ज वाहक के परिवहन को तेज करने में मदद करता है, जिसके परिणामस्वरूप डायोड का तेजी से संचालन होता है, जिससे यह उच्च-आवृत्ति संचालन के लिए एक उपयुक्त उपकरण बन जाता है।

विशेषताएँ

पिन डायोड कम-आवृत्ति संकेतों के लिए मानक डायोड समीकरण का पालन करता है। उच्च आवृत्तियों पर, डायोड एक लगभग सही (बहुत रैखिक, यहां तक ​​कि बड़े संकेतों के लिए) रोकनेवाला की तरह दिखता है। P-I-N डायोड में एक मोटी आंतरिक क्षेत्र में अपेक्षाकृत बड़ा संग्रहीत चार्ज होता है। कम-पर्याप्त आवृत्ति पर, संग्रहीत चार्ज पूरी तरह से बह सकता है और डायोड बंद हो जाता है। उच्च आवृत्तियों पर, बहाव क्षेत्र से चार्ज को स्वीप करने के लिए पर्याप्त समय नहीं है, इसलिए डायोड कभी बंद नहीं होता है। एक डायोड जंक्शन से संग्रहीत चार्ज को स्वीप करने के लिए आवश्यक समय इसका डायोड#रिवर्स-रिकवरी प्रभाव है। रिवर्स रिकवरी टाइम, और यह पिन डायोड में अपेक्षाकृत लंबा है। किसी दिए गए अर्धचालक सामग्री, ऑन-स्टेट प्रतिबाधा, और न्यूनतम प्रयोग करने योग्य आरएफ आवृत्ति के लिए, रिवर्स रिकवरी समय तय किया गया है। इस संपत्ति का शोषण किया जा सकता है; पी-आई-एन डायोड की एक किस्म, स्टेप रिकवरी डायोड, उच्च गुणकों के साथ आवृत्ति गुणा के लिए उपयोगी एक संकीर्ण आवेग तरंग बनाने के लिए रिवर्स रिकवरी के अंत में अचानक प्रतिबाधा परिवर्तन का शोषण करती है। उच्च-आवृत्ति प्रतिरोध डायोड के माध्यम से डीसी पूर्वाग्रह वर्तमान के विपरीत आनुपातिक है।एक पिन डायोड, उपयुक्त रूप से पक्षपाती, इसलिए एक चर रोकनेवाला के रूप में कार्य करता है।यह उच्च-आवृत्ति प्रतिरोध एक विस्तृत श्रृंखला (से) पर भिन्न हो सकता है0.1 Ω प्रति 10 kΩ कुछ मामलों में; उपयोगी सीमा छोटी है, हालांकि)।

विस्तृत आंतरिक क्षेत्र का मतलब यह भी है कि डायोड में कम कैपेसिटेंस होगा जब पी-एन डायोड#रिवर्स बायस | रिवर्स-बायस्ड।

एक पिन डायोड में कमी क्षेत्र लगभग पूरी तरह से आंतरिक क्षेत्र के भीतर मौजूद है। यह कमी क्षेत्र एक पीएन डायोड की तुलना में बहुत बड़ा है और लगभग निरंतर आकार, डायोड पर लागू रिवर्स पूर्वाग्रह से स्वतंत्र है। यह उस मात्रा को बढ़ाता है जहां इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े एक घटना फोटॉन द्वारा उत्पन्न किए जा सकते हैं। कुछ फोटोडेटेक्टर डिवाइस, जैसे कि पिन फोटोडायोड्स और फोटोट्रांसिस्टर्स (जिसमें बेस-कलेक्टर जंक्शन एक पिन डायोड है), उनके निर्माण में एक पिन जंक्शन का उपयोग करें।

डायोड डिज़ाइन में कुछ डिज़ाइन ट्रेड-ऑफ हैं। आंतरिक क्षेत्र के क्षेत्र को बढ़ाने से इसका संग्रहीत चार्ज बढ़ जाता है, जो अपने आरएफ ऑन-स्टेट प्रतिरोध को कम करता है, जबकि रिवर्स बायस कैपेसिटेंस को बढ़ाता है और एक निश्चित स्विचिंग समय के दौरान चार्ज को हटाने के लिए आवश्यक ड्राइव करंट को बढ़ाता है, जिसमें न्यूनतम समय पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है। I क्षेत्र से शुल्क। आंतरिक क्षेत्र की मोटाई में वृद्धि से कुल संग्रहीत चार्ज बढ़ जाता है, न्यूनतम आरएफ आवृत्ति में कमी आती है, और रिवर्स-बायस कैपेसिटेंस को कम कर देता है, लेकिन फॉरवर्ड-बायस आरएफ प्रतिरोध को कम नहीं करता है और बहाव चार्ज को स्वीप करने के लिए आवश्यक न्यूनतम समय बढ़ाता है और कम से उच्च आरएफ प्रतिरोध में संक्रमण। विशिष्ट आरएफ बैंड और उपयोगों के लिए विभिन्न प्रकार के ज्यामिति में डायोड को व्यावसायिक रूप से बेचा जाता है।

अनुप्रयोग

पिन डायोड आरएफ स्विच, एटेन्यूएटर्स, फोटोडेटेक्टर्स और चरण शिफ्टर्स के रूप में उपयोगी हैं।

आरएफ और माइक्रोवेव स्विच

एक पिन डायोड आरएफ माइक्रोवेव स्विच

शून्य- या रिवर्स-बायस (ऑफ स्टेट) के तहत, एक पिन डायोड में कम कैपेसिटेंस होता है।कम कैपेसिटेंस आरएफ सिग्नल से ज्यादा पास नहीं होगा।1 मा (राज्य पर) के आगे के पूर्वाग्रह के तहत, एक विशिष्ट पिन डायोड के बारे में एक आरएफ प्रतिरोध होगा1 ohm, यह आरएफ का एक अच्छा कंडक्टर बनाता है।नतीजतन, पिन डायोड एक अच्छा आरएफ स्विच बनाता है।

हालांकि आरएफ रिले को स्विच के रूप में उपयोग किया जा सकता है, वे अपेक्षाकृत धीरे -धीरे स्विच करते हैं 10s of milliseconds)।एक पिन डायोड स्विच अधिक तेज़ी से स्विच कर सकता है (जैसे, 1 microsecond), हालांकि कम आरएफ आवृत्तियों पर यह आरएफ अवधि के समान परिमाण के क्रम में स्विचिंग समय की उम्मीद करना उचित नहीं है।

उदाहरण के लिए, एक ऑफ -स्टेट असतत पिन डायोड की समाई हो सकती है 1 pF।पर 320 MHzकी कैपेसिटिव रिएक्शन 1 pF है 497 ohms:

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

एक श्रृंखला तत्व के रूप में एक में 50 ohm सिस्टम, ऑफ-स्टेट क्षीणन है:

${\begin{aligned}A&=20\log _{10}\left({\frac {Z_{\mathrm {load} }}{Z_{\mathrm {source} }+Z_{\mathrm {diode} }+Z_{\mathrm {load} }}}\right)\\&=20\log _{10}\left({\frac {50\,\Omega }{50\,\Omega +497\,\Omega +50\,\Omega }}\right)\\&={21.5}\,\mathrm {dB} \end{aligned}}$

यह क्षीणन पर्याप्त नहीं हो सकता है।उन अनुप्रयोगों में जहां उच्च अलगाव की आवश्यकता होती है, दोनों शंट और श्रृंखला तत्वों का उपयोग किया जा सकता है, शंट डायोड के साथ श्रृंखला तत्वों के पूरक फैशन में पक्षपाती।शंट तत्वों को जोड़ने से स्रोत को प्रभावी ढंग से कम कर दिया जाता है और प्रतिबाधा अनुपात को कम करता है, प्रतिबाधा अनुपात को कम करता है और ऑफ-स्टेट क्षीणन को बढ़ाता है।हालांकि, अतिरिक्त जटिलता के अलावा, ऑन-स्टेट क्षीणन को ऑन-स्टेट ब्लॉकिंग तत्व की श्रृंखला प्रतिरोध और ऑफ-स्टेट शंट तत्वों की समाई के कारण बढ़ाया जाता है।

पिन डायोड स्विच का उपयोग न केवल सिग्नल चयन के लिए किया जाता है, बल्कि घटक चयन के लिए भी किया जाता है।उदाहरण के लिए, कुछ कम-चरण-शोर ऑसिलेटर उन्हें रेंज-स्विच इंडक्टर्स के लिए उपयोग करते हैं।

आरएफ और माइक्रोवेव चर attenuators

एक आरएफ माइक्रोवेव पिन डायोड एटेन्यूएटर

एक पिन डायोड के माध्यम से पूर्वाग्रह वर्तमान को बदलकर, अपने आरएफ प्रतिरोध को जल्दी से बदलना संभव है।

उच्च आवृत्तियों पर, पिन डायोड एक अवरोधक के रूप में प्रकट होता है जिसका प्रतिरोध इसके आगे वर्तमान का एक उलटा कार्य है।नतीजतन, पिन डायोड का उपयोग कुछ चर एटेन्यूएटर डिजाइनों में आयाम मॉड्यूलेटर या आउटपुट लेवलिंग सर्किट के रूप में किया जा सकता है।

पिन डायोड का उपयोग किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, ब्रिज-टी एटेन्यूएटर में पुल और शंट प्रतिरोधों के रूप में।एक अन्य सामान्य दृष्टिकोण पिन डायोड का उपयोग 0 डिग्री और एक चतुर्भुज हाइब्रिड के -90 डिग्री पोर्ट से जुड़े टर्मिनेशन के रूप में है।क्षीण होने के लिए सिग्नल इनपुट पोर्ट पर लागू होता है, और क्षीणता परिणाम को अलगाव पोर्ट से लिया जाता है।Bridged-T और PI दृष्टिकोणों पर इस दृष्टिकोण के फायदे हैं (1) पूरक पिन डायोड पूर्वाग्रह ड्राइव की आवश्यकता नहीं है-समान पूर्वाग्रह दोनों डायोड पर लागू होते हैं-और (2) एटेन्यूएटर में नुकसान के नुकसान के नुकसान के बराबर है।टर्मिनेशन, जो एक बहुत विस्तृत श्रृंखला में विविध हो सकते हैं।

सीमाएँ

पिन डायोड को कभी-कभी उच्च-आवृत्ति परीक्षण जांच और अन्य सर्किट के लिए इनपुट सुरक्षा उपकरणों के रूप में उपयोग के लिए डिज़ाइन किया जाता है। यदि इनपुट सिग्नल छोटा है, तो पिन डायोड का नगण्य प्रभाव पड़ता है, केवल एक छोटे परजीवी समाई पेश करता है। एक रेक्टिफायर डायोड के विपरीत, यह आरएफ आवृत्तियों पर एक nonlinear प्रतिरोध प्रस्तुत नहीं करता है, जो हार्मोनिक्स और इंटरमॉड्यूलेशन उत्पादों को जन्म देगा। यदि सिग्नल बड़ा है, तो जब पिन डायोड सिग्नल को ठीक करना शुरू कर देता है, तो फॉरवर्ड करंट ड्रिफ्ट क्षेत्र को चार्ज करता है और डिवाइस आरएफ प्रतिबाधा सिग्नल आयाम के विपरीत आनुपातिक एक प्रतिरोध है। उस सिग्नल आयाम अलग -अलग प्रतिरोध का उपयोग कुछ पूर्व निर्धारित भाग को समाप्त करने के लिए किया जा सकता है, जो ऊर्जा को विघटित करने वाले एक प्रतिरोधक नेटवर्क में सिग्नल को सिग्नल करता है या एक प्रतिबाधा बेमेल बनाने के लिए होता है जो घटना को स्रोत की ओर वापस दर्शाता है। उत्तरार्द्ध को एक आइसोलेटर के साथ जोड़ा जा सकता है, एक डिवाइस जिसमें एक सर्कुलेटर होता है जो पारस्परिकता को तोड़ने के लिए एक स्थायी चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करता है और पिछड़े यात्रा लहर को अलग करने और समाप्त करने के लिए एक प्रतिरोधक भार। जब एक शंट लिमिटर के रूप में उपयोग किया जाता है, तो पिन डायोड पूरे आरएफ चक्र पर एक कम प्रतिबाधा होता है, युग्मित रेक्टिफायर डायोड के विपरीत, जो प्रत्येक आरएफ चक्र के दौरान एक उच्च प्रतिरोध से कम प्रतिरोध से स्विंग करेगा, जो तरंग को क्लैम्पिंग करता है और इसे पूरी तरह से नहीं दर्शाता है। गैस अणुओं का आयनीकरण वसूली समय जो उच्च शक्ति स्पार्क गैप इनपुट सुरक्षा उपकरण के निर्माण की अनुमति देता है, अंततः एक गैस में समान भौतिकी पर निर्भर करता है।

फोटोडेटेक्टर और फोटोवोल्टिक सेल

पिन फोटोडायोड का आविष्कार जून-इची निशिजावा और उनके सहयोगियों द्वारा 1950 में किया गया था। पिन फोटोडायोड का उपयोग फाइबर ऑप्टिक नेटवर्क कार्ड और स्विच में किया जाता है।एक फोटोडेटेक्टर के रूप में, पिन डायोड रिवर्स-बायस्ड है।रिवर्स बायस के तहत, डायोड आमतौर पर आचरण नहीं करता है (एक छोटा डार्क करंट या मैं बचाएं या मैं_sरिसाव के)। जब पर्याप्त ऊर्जा का एक फोटॉन डायोड के कमी क्षेत्र में प्रवेश करता है, तो यह एक इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ी बनाता है। रिवर्स-बायस फील्ड कैरियर को क्षेत्र से बाहर कर देता है, जिससे वर्तमान होता है। कुछ डिटेक्टर हिमस्खलन गुणन का उपयोग कर सकते हैं।

एक ही तंत्र एक सौर सेल के पिन संरचना, या पी-आई-एन जंक्शन पर लागू होता है। इस मामले में, पारंपरिक अर्धचालक पी-एन जंक्शन पर एक पिन संरचना का उपयोग करने का लाभ पूर्व की बेहतर लंबी-तरंग दैर्ध्य प्रतिक्रिया है। लंबी तरंग दैर्ध्य विकिरण के मामले में, फोटॉन सेल में गहराई से प्रवेश करते हैं। लेकिन केवल उन इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े जो घटते क्षेत्र में और निकट उत्पन्न होते हैं, वर्तमान पीढ़ी में योगदान करते हैं। एक पिन संरचना का कमी क्षेत्र आंतरिक क्षेत्र में फैली हुई है, डिवाइस में गहरा। यह व्यापक कमी की चौड़ाई डिवाइस के भीतर इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ी पीढ़ी को गहरी सक्षम करती है, जो सेल की क्वांटम दक्षता को बढ़ाती है।

वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध पिन फोटोडायोड्स में टेलीकॉम तरंग दैर्ध्य रेंज (~ 1500 & nbsp; nm) में 80-90% से ऊपर की मात्रा में मात्रा होती है, और आमतौर पर जर्मेनियम या इंगास से बने होते हैं। वे तेजी से प्रतिक्रिया समय (अपने पी-एन समकक्षों की तुलना में अधिक) की सुविधा देते हैं, कई दसियों गिगाहर्ट्ज़ में चल रहे हैं, उन्हें उच्च गति ऑप्टिकल दूरसंचार अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाना।इसी तरह, सिलिकॉन पी-आई-एन फोटोडायोड्स यहां तक कि उच्च क्वांटम क्षमताएं हैं, लेकिन केवल सिलिकॉन के बैंडगैप के नीचे तरंग दैर्ध्य का पता लगा सकते हैं, अर्थात ~ 1100 & nbsp; nm।

आमतौर पर, अनाकार सिलिकॉन पतली-फिल्म सौर सेल | पतली-फिल्म कोशिकाएं पिन संरचनाओं का उपयोग करती हैं।दूसरी ओर, सीडीटीई कोशिकाएं एनआईपी संरचना का उपयोग करती हैं, पिन संरचना की एक भिन्नता।एक एनआईपी संरचना में, एक आंतरिक सीडीटीई परत एन-डोपेड सीडी और पी-डॉप्ड जेडएनटीई द्वारा सैंडविच किया जाता है;फोटॉन एक पिन डायोड के विपरीत, एन-डॉप्ड परत पर घटना हैं।

एक पिन फोटोडायोड एक्स-रे और गामा रे फोटॉन का भी पता लगा सकता है।

आधुनिक फाइबर-ऑप्टिकल संचार में, ऑप्टिकल ट्रांसमीटर और रिसीवर की गति सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों में से एक है।फोटोडायोड की छोटी सतह के कारण, इसकी परजीवी (अवांछित) क्षमता कम हो जाती है।आधुनिक पिन फोटोडायोड्स की बैंडविड्थ माइक्रोवेव और मिलीमीटर तरंगों की सीमा तक पहुंच रही है।

उदाहरण पिन फोटोडायोड्स

SFH203 और BPW34 सस्ते सामान्य उद्देश्य पिन डायोड हैं।

यह भी देखें

• फाइबर ऑप्टिक केबल
• इंटरकनेक्ट अड़चन
• ऑप्टिकल संचार
• ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट
• समानांतर ऑप्टिकल इंटरफ़ेस
• स्टेप रिकवरी डायोड

बाहरी संबंध

• The PIN Diode Designers' Handbook
• PIN Limiter Diodes in Receiver Protectors, Skyworks application note

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जा: पिन ダイオード]