Qu’est-ce qu’une diode PIN ?
Une diode PIN est une diode dotée d’un véritable semi-conducteur de type I, avec une résistance électrique élevée entre les semi-conducteurs de type P et de type N, et une large couche de déplétion.
La couche de déplétion plus large améliore les caractéristiques de réponse. En raison de la résistance élevée du semi-conducteur central de type I, elle présente la capacité terminale la plus faible de toutes les diodes. La tension directe est presque la même que celle d’une diode à jonction PN. Les diodes PIN sont utilisées comme résistances variables, en particulier à haute fréquence, car leur résistance change avec le courant qui circule. Elles peuvent également être utilisées comme condensateurs lorsqu’une tension inverse est appliquée.
Utilisations des diodes PIN
Les diodes PIN se caractérisent par une faible capacité entre les bornes, une faible résistance en série et des caractéristiques de haute fréquence. Elles sont donc utilisées pour la commutation de signaux à haute fréquence, notamment pour les téléphones mobiles, car elles sont moins susceptibles d’affecter les lignes de communication à haute fréquence. Elles servent de résistances variables dans les circuits de commutation de bande, les circuits AGC et les atténuateurs de réception, car leur résistance change en fonction du courant. Elles agissent également comme des condensateurs lorsqu’une tension inverse est appliquée.
Principe des diodes PIN
1. Lorsqu’une tension directe est appliquée à une diode PIN
Dans une diode PIN, lorsqu’une tension directe est appliquée, les trous du semi-conducteur de type P et les électrons du semi-conducteur de type N se déplacent pour se rencontrer et se recombiner dans le semi-conducteur de type I. La tension appliquée y provoque un déplacement très rapide des électrons et des trous, ce qui facilite le passage du courant. Les trous et les électrons migrant des semi-conducteurs de type P et N se rencontrent dans le semi-conducteur de type I, ce qui entraîne une modification de la résistance. En d’autres termes, la résistance change en fonction de la tension : cela permet d’utiliser le dispositif comme une résistance variable en contrôlant la tension.
La capacité entre les bornes peut être modifiée en changeant l’épaisseur et la surface de la couche d’appauvrissement du semi-conducteur de type I, ce qui permet de sélectionner les caractéristiques de la résistance.Par rapport aux semi-conducteurs de type PN, qui ne possèdent pas de semi-conducteur de type I, les diodes PIN ont des performances améliorées car elles sont plus efficaces pour stocker les porteurs tels que les trous et les électrons.
2. Lorsqu’une tension inverse est appliquée à une diode PIN
En revanche, lorsqu’une tension inverse est appliquée, les trous et les électrons s’accumulent respectivement sur les surfaces de type P et de type N. Le semi-conducteur de type I devient un diélectrique et agit comme un condensateur.
Autres informations sur les diodes PIN
1. Modulation de la conductivité dans les diodes PIN
La modulation de la conductivité fait référence au changement de résistance causé par les porteurs qui s’écoulent dans une couche à haute résistance lorsqu’elle est polarisée.
La couche I, intercalée entre les couches P et N, est constituée d’éléments à valence tétravalente, tels que le silicium (Si) et le germanium (Ge). En tant que semi-conducteurs purs ne contenant aucun autre élément, ils sont appelés semi-conducteurs véritables et sont liés par des liaisons covalentes stables à huit électrons. Cela en fait des couches isolantes dans lesquelles le transfert d’électrons n’est pas possible.
Toutefois, lorsqu’ils sont soumis à une polarisation directe dans une diode PIN, les trous s’écoulent de la couche P et les électrons de la couche N, et la couche I devient fortement dopée. Par conséquent, la modulation de la conductivité se produit. Laa couche I, qui avait une résistance élevée, devient une faible résistance à l’enclenchement lorsque le courant circule dans le sens direct.
2. Commutation avec des diodes PIN
Les diodes PIN sont également utilisées dans les commutateurs à haute fréquence. Des commutateurs mécaniques sont disponibles dans la gamme des basses fréquences, tandis que les relais coaxiaux et les commutateurs à semi-conducteurs sont utilisés à des fréquences élevées. Ces dernières années, elles ont également été utilisées comme commutateurs MMIC à bande d’ondes millimétriques en raison de l’utilisation répandue des systèmes de communication LAN et des systèmes radar embarqués.
Le principe des circuits de commutation à diodes PIN le suivant : un signal haute fréquence est émis lors de la polarisation directe et aucun signal haute fréquence n’est émis lors de la polarisation inverse. La gamme de produits comprend à la fois des types réfléchissants et des types absorbants. Les commutateurs réfléchissants transmettent une puissance haute fréquence lorsqu’ils sont polarisés en sens inverse et la réfléchissent lorsqu’ils sont polarisés en sens inverse. Les commutateurs absorbants ont un faible rapport tension-onde stationnaire (VSWR) et une faible perte de signal, qu’ils soient en marche ou à l’arrêt.
3. Avantages et inconvénients des commutateurs à diodes PIN
En général, les commutateurs à diodes PIN sont supérieurs en termes de vitesse de commutation et de compacité. Toutefois, ils présentent l’inconvénient d’une consommation d’énergie élevée.
La raison de cette consommation élevée est la nécessité d’une forte polarisation pour maintenir les pertes d’insertion à un faible niveau. Pour compenser cet inconvénient, un commutateur optique appelé MEMS (Micro Electro Mechanical System) a été développé pour la bande des ondes millimétriques et gagne des parts de marché sur le marché actuel.