INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PUEBLA INGENIERIA ELECTRÓNICA FISICA DE SEMICONDUCTORES PROFESOR: VÍCTOR MANUEL PERUSQUÍA ROMERO. “DIODO PIN” EQUIPO IV Rodolfo Cruz Martínez Hugo Flores Ángeles Edgar González García Miguel Angel Sánchez Flores
El diodo que tiene la región poco contaminada y casi intrínseca entre las regiones de p y n se llama diodo Pinto. El nombre se deriva del material intrínseco entre las capas p y n. Debido a su construcción, el diodo quien tiene baja capacitancia y, por tanto, encuentra aplicación en frecuencias altas. Cuando se polariza en directo, la inyección de portadores minoritarios aumenta la conductividad de la región intrínseca. Cuando se polariza en inverso, la región i se vacía vacía totalm totalmen ente te de porta portado dores res y la inten intensid sidad ad del del campo campo a travé través s de la regió región n es constante.
DESCUBRIMIENTO DEL DIODO PIN. En 1971 1971 C.A. C.A. Burru Burrus s desa desarro rrolla lla un nuev nuevo o tipo tipo de emisor emisor de luz, luz, el LED, LED, de pequeñ pequeña a superf superfici icie e radia radiante nte,, idón idónea ea para para el acopl acoplam amien iento to en F.O. F.O. Por Por lo que que se refier refiere e a los fotodetectores, los diodos PIN y los de avalancha a base de Si, fueron desarrollados sin dificultades y ofrecían buenas características. Sin embargo, no podían aplicarse en longitud de onda > 1100 nm. El Ge era un buen candidato a ser utilizado para trabajar entre 1100 y 1600 1600 nm, nm, y ya en 1966 1966 se dispo disponía nía de ellos ellos con elevad elevadas as presta prestacio cione nes s eléctr eléctrica icas. s. Sin embargo, la corriente de oscuridad (ruido) del Ge es elevada y da motivo a ensayos con fotodiodos con materiales como InGaAsP (arseniuro fosfuro de indio y galio). El primer PIN de InGaAs (arseniuro de indio y galio) se realiza en 1977.
SIGNIFICADO DEL NOMBRE DEL DIODO PIN Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia semiconductor intrínseco, intrínseco , y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de alta resistividad (π) o bien por una capa N de alta resistividad (ν). El diodo PIN es un diodo que presenta una región p y n altamente conductoras junto a una zona intrínseca poco conductiva. De ahí viene el significado de sus siglas PIN.
Zona tipo P.
“P”
Material Intrínseco.
“I”
Zona tipo N.
“N”.
SÍMBOLO DEL DIODO PIN.
COMPOSICIÓN DEL DIODO PIN El diodo se forma partiendo de silicio tipo P de alta resistividad. La capa P de baja resistividad representada, está formada por difusión de átomos de boro en un bloque de silicio tipo P y la capa N muy delgada está formada difundiendo grandes cantidades de fósforo. La región intrínseca i es realmente una región P de alta resistividad y se suele denominar región p. Cuando el circuito está abierto, los electrones fluyen desde la región i (p) hasta la región P para recombinarse con los huecos en exceso, y los huecos fluyen desde la región i para recombinarse con los electrones de la región N. Si el material i (p) fuese verdaderamente intrínseco, la caída de tensión en la región i sería nula, puesto que la emigración de huecos sería igual a la emigración de electrones. Sin embargo, como el material es en verdad p (P de alta resistividad), hay mas huecos disponibles que electrones. Se pudo extraer un circuito equivalente del diodo para cada estado de conducción y que se muestra en la Fig. 7. Los valores de L, RS, CT y RP son en inversa L=0.2 nH, RS=2. CT=0.02 pF y RP=2100 . Para la polarización directa (con intensidad de 50 mA), el circuito equivalente tiene los siguientes elementos: L=0.2 nH, RS=2. Y RI=0.8.
Fig. 7. Circuito equivalente en polarización inversa (a) y directa (b) del diodo PIN HPND-4005
CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DEL DIODO PIN.
El diodo PIN es un diodo que presenta una región P fuertemente dopada y otra región N también fuertemente dopada, separadas por una región de material que es casi intrínseco. Este tipo de diodos se utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que exceden de 1 GHz, puesto que incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta cuando está inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en sentido directo. Además, las tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a 1000 V. En virtud de las características del diodo PIN se le puede utilizar como interruptor o como modulador de amplitud en frecuencias de microondas ya que para todos los propósitos se le puede presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un circuito abierto en sentido inverso. También se le puede utilizar para conmutar corrientes muy intensas y/o tensiones grandes. Cuando se aplica una polarización inversa al diodo los electrones y los huecos del material p son barridos (swept free). Un posterior aumento de la tensión inversa simplemente incrementa las distribuciones de tensiones P-I e I-N. En el diodo PIN la longitud de la región de transición L es aproximadamente igual a la región i y aproximadamente independiente de la tensión inversa. Por lo tanto, a diferencia de los diodos PN o Schottky, el diodo PIN tiene una capacidad inversa que es aproximadamente constante, independiente de la polarización. Una variación típica de la capacidad podría ser desde 0,15 hasta 0,14 pF en una variación de la polarización inversa de, por ejemplo, 100 V. En virtud de que es igual a la longitud de la región i, la longitud de la región de transición es aproximadamente constante y considerablemente mayor que la de otros diodos y, por lo tanto, la capacidad CR, que es proporcional a 1/L es significativamente menor que la de otros diodos, por lo que el diodo PIN es apropiado para aplicaciones de microondas. Los valores normales de CR varían desde 0,1 pF hasta 4 pF en los diodos PIN comerciales. Cuando el diodo está polarizado en sentido directo, los huecos del material P se difunden en la región p, creando una capa P de baja resistividad. La corriente es debida al flujo de los electrones y de los huecos cuyas concentraciones son aproximadamente iguales en la región i. En la condición de polarización directa la caída de tensión en la región i es muy pequeña. Además, al igual que el diodo PN, cuando aumenta la corriente, también disminuye la resistencia. En consecuencia el diodo PIN es un dispositivo con su resistencia o conductancia modulada. En una primera aproximación, la resistencia rd en pequeña señal es inversamente proporcional a la corriente IDQ con polarización directa, lo mismo que en el diodo PN.
En frecuencias de microondas se representa de maneras más sencillas por una capacidad CR en serie con la resistencia directa rd. Con tensiones directas, CR es aproximadamente infinita, mientras que en polarización inversa, rd es aproximadamente nula. La capacidad CS es la capacidad parásita paralelo que se produce soldando el diodo a la cápsula y LS es la inductancia serie debida a los hilos de conexión desde el diodo hasta la cápsula.
CIRCUITO DE APLICACIÓN. El fotodetector, un componente crítico en cualquier sistema de comunicaciones por fibra óptica, ha sido menospreciado, algunas veces, en la reciente tendencia de concentrarse en las mejoras de los transmisores láser y en las mismas fibras ópticas. Simplemente con
cambiar de un tipo de foto detector a otro se puede incrementar la capacidad de un sistema óptico en un orden de magnitud sin tocar ningún otro componente. El fotodiodo PIN es el detector más importante utilizado en los sistemas de comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo ruido y es compatible con circuitos amplificadores de baja tensión. Además, es sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia. Unas zonas p y n altamente conductivas junto a otra intrínseca poco conductiva, caracterizan al diodo PIN. Los fotones entran a la zona intrínseca generando pares electrón-hueco. El diodo se polariza inversamente con el fin de que las cargas generadas en la zona intrínseca sean aceleradas por el campo eléctrico presente. Una típica estructura p-i-n planar tiene, como material absorbente de luz, a un compuesto de InGaAs. La región de absorción es fina, siendo, generalmente, un material tipo n sobre un sustrato tipo n de indio fosforoso. La superficie superior está recubierta de un fino aislante, o capa pasiva, para proteger la superficie y reducir la recombinación de electrones y huecos en dicha superficie. Cuando un fotón entra en la zona de deflexión, es absorbido y genera un par electrón-hueco, los cuales son dirigidos hacia los electrodos opuestos. Allí se recogen y aparecen como corriente en el circuito exterior. Puesto el par de portadores es separado en mucho menos tiempo que el tomado para su recombinación, el proceso de detección es rápido y eficiente. Debido a que no existe mecanismo de ganancia en un fotodiodo p-i-n, la máxima eficiencia del detector es la unidad y producto ganancia x ancho de banda coincide con esta última. El ancho de banda de un diodo p-i-n está limitado por el tiempo tomando en colector las cargas. Este tiempo es inversamente proporcional al ancho de la zona de deflexión y directamente proporcional a la velocidad de los portadores de cargas en la región de alto campo eléctrico. La principal fuente de ruido en un fotodiodo p-i-n es el ruido de granalla, producido en la zona de deflexión de la unión p-n inversamente polarizada, generado por el proceso estadístico de los electrones atravesando la unión p-n Su aplicación principal es como receptor de señales en circuitos de transmisión de datos por medio de fibra óptica, por ello a continuación se muestra el principio de funcionamiento de un sistema de fibra óptica. Estos sistemas están compuestos por un transmisor, cuya misión es la de convertir la señal eléctrica en señal óptica susceptible de ser enviada a través de una fibra óptica. En el extremo opuesto de la fibra óptica se encuentra el receptor, cuya misión es la de convertir la señal óptica en señal eléctrica nuevamente. El receptor consiste en un diodo PIN o un APD, que se acopla a la fibra óptica. Se le denomina convertidor opto-electrónico (O/E) . El tipo de modulación utilizado es el de amplitud, modulando la intensidad de luz generada por el emisor. Las no linealidades de los emisores y receptores al convertir las señales
eléctricas a ópticas y viceversa, así como las fuentes de ruido que se sobreponen a la señal en los sistemas típicos de fibra óptica hacen que este sistema sea especialmente apropiado para la transmisión de señales digitales, que corresponde a los estados de encendidoapagado del emisor.
No obstante también es posible transmitir señales analógicas. Otros tipos de modulación, como modulación en frecuencia y demás sistemas coherentes están en fase de desarrollo, debido a la dificultad de obtener señales luminosas espectralmente puras y que al mismo tiempo puedan ser moduladas en frecuencia. La señal óptica que se propaga a través de la fibra óptica se degrada por la atenuación y restricción de la anchura de banda de la fibra, y entonces, es preciso regenerar la señal transmitida. El mejor método es tratar la señal en forma eléctrica. Por lo tanto, los convertidores E/O y O/E son componentes indispensables en un repetidor óptico. El amplificador e igualador de la señal eléctrica son similares a los de los sistemas de transmisión convencionales. Otra aplicación presentada es la siguiente:
ATENUADOR DE RADIO FRECUENCIA.
Otra aplicación presentada es la siguiente:
El diodo PIN es un semiconductor que opera con una resistencia variable en RF y frecuencia de microonda. Controla altos voltajes RF con niveles de excitación DC mucho más pequeño, para el caso de frecuencias altas
Región Directa
Al diodo se le aplica voltaje positivo (DC) en sus terminales (n-p). Presenta una resistencia muy pequeña RS (0.5 Ω y en función de la corriente DC), denominada resistencia Forward. En la Figura 2 siguiente se muestra el circuito equivalente del Diodo Pin en la región directa.
Circuito Equivalente del Diodo Pin en la región Directa.
Región Inversa El diodo tiene un voltaje menor o igual a cero en sus terminales (n-p). El diodo presenta una resistencia en paralelo RP alta (mayor a 50 KΩ y en función del voltaje en la región inversa) y una capacidad CT, como se muestra en la Figura 3, ambas dependen de la frecuencia de la señal RF.
Circuito Equivalente del Diodo Pin en la Región Inversa.
Coeficiente de elevación de la temperatura. (Rodolfo) Este coeficiente nos mide la variación de la temperatura con respecto a la potencia consumida por el diodo (°C/W). Al multiplicarlo por la potencia consumida, obtendremos el incremento de temperatura del diodo.
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θeff : Impedancia térmica efectiva (°C/W)DF: Ciclo de trabajo (0.8%). θtp : Impedancia térmica Pulsada (°C/W)Reemplazando valores obtenidos en la ecuación 3:
La potencia consumida del diodo es la diferencia de potencias picos de dos ensayos donde el primero se mide sólo la potencia pico del diodo pin y carga y en el segundo se mide la potencia pico de la carga. Para un ensayo obtuvimos una potencia consumida por el diodo pin de 390 W. Por lo que tendremos una variación de temperatura de 25°C, siendo la temperatura ambiente de 20°C, el diodo tendría una temperatura de 45°C. El voltaje máximo que soporta el diodo pin es 1KV de DC.
SISTEMA DE CONMUTACIÓN RF (Rodolfo) Una solución para el enfasamiento de la antena es activar un camino entre dos posibles, esto se hace mediante el empleo de diodos PIN. El camino está conformado por líneas de transmisión (cable RG217/U – RG17 A/U). Como se necesita conmutar entre cuatro posiciones, se emplean dos sistemas de conmutación de dos posiciones pero con diferentes enfasamientos. En la siguiente figura se muestra el sistema de enfasamiento para una polarización de la antena, las fases que se obtienen son de 0°,90°,180°,270°. Los diodos ubicados en la posición 1 y 2, así como los ubicados en la posición 3 y 4 trabajan complementariamente. Es decir si el diodo pin de la posición 1 está conduciendo, los de la posición 2 están en circuito abierto. El diodo pin soporta un voltaje máximo de 1KV
Para activar un camino se aplica un voltaje continuo negativo al diodo pin (n-p), el circuito equivalente será la misma línea de transmisión sin diodo pin, dado que se encuentra en circuito abierto.
Camino de RF activado, aplicando voltaje Negativo al Diodo Pin.
Para desactivar un camino se aplica un voltaje DC positivo al diodo pin (aproximadamente 1V), el circuito equivalente a λ/4 es como si no hubiese línea de transmisión. A mayor nivel de corriente, la impedancia de diodo es menor mejorando el cortocircuito del diodo.
CUESTIONARIO. 1. ¿Qué es el diodo PIN?
2. ¿Cuál es su símbolo?
3.
¿Cuál es el funcionamiento del diodo PIN? Indique, al menos, tres funciones básicas.
4. ¿Cómo funciona?
5.
Dibuje un circuito en donde se utilice el diodo PIN
6.
¿Qué es el fotodiodo PIN?
7.
¿En dónde se produce el ruido de granalla en un fotodiodo pin?
8.
¿Con cuál otro nombre se le conoce al diodo láser?
9. ¿Cuál es el significado PIN?
10. ¿Qué ocurre cuando un fotón entra en la zona de deflexión?
11. PREGUNTAS Y RESPUESTAS. 1. ¿Qué es el diodo PIN? El diodo PIN es un diodo que presenta una región P fuertemente dopada y otra región N también fuertemente dopada, separadas por una región de material que es casi intrínseco. 2. ¿Cuál es su símbolo?
3.- ¿Cuál es el funcionamiento del diodo PIN? Indique, al menos, tres funciones básicas. Cambian su resistencia en RF (Radio Frecuencia) en función de las condiciones de polarización. Por ello, pueden actuar como: – –
Como conmutador de RF. Como resistencia variable. – Como protector de sobretensiones. – Como fotodetector. 4. ¿Cómo funciona? Cuando se polariza en directo, la inyección de portadores minoritarios aumenta la conductividad de la región intrínseca. Cuando se polariza en inverso, la región i se vacía totalmente de portadores y la intensidad del campo a través de la región es constante.
5. Dibuje un circuito en donde se utilice el diodo PIN. Atenuador de Radio Frecuencia.
6.
¿Qué es el fotodiodo PIN?
Es el detector más importante utilizado en los sistemas en los sistemas de comunicación óptica y es compatible con circuitos amplificadores de baja tención.
7.
¿En dónde se produce el ruido de granalla en el fotodiodo pin?
Es producido en la zona de deflexión de la unión p-n inversamente polarizada, generado por el proceso estadístico de los electrones atravesando la unión p-n
8.
¿Con cuál otro nombre se le conoce al diodo láser?
También es conocido como LED 9. ¿Cuál es el significado PIN? – P – I – N
6.
Zona tipo p Material intrínseco Zona tipo n
¿Qué ocurre cuando un fotón entra en la zona de deflexión?
Es absorbido y genera un par electrón—hueco, los cuales son dirigidos hacia los electrodos opuestos, allí se recogen y aparecen como corriente en el circuito exterior
BIBLIOGRAFÍA Inder Bahl, Prakash Bhartia. (1995) E.E.U.U. Microwave solid state circuit design. Edit. Wiley. Año de edición 01/01/95. Capítulos: 14. 489 páginas.
G. Deeboo, (1997), México. Circuitos integrados y dispositivos semiconductores. Boixareu 1ª reimpresión 10 capítulos. 609 páginas.
Páginas Web:
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