Was ist eine Pin-Dioden?
Eine Pin-Diode ist eine Diode mit einem echten I-Typ-Halbleiter mit hohem elektrischen Widerstand zwischen dem P-Typ- und dem N-Typ-Halbleiter und einer breiten Verarmungsschicht.
Die breitere Verarmungsschicht verbessert das Ansprechverhalten. Aufgrund des hohen Widerstands des zentralen I-Typ-Halbleiters hat sie die niedrigste Anschlusskapazität aller Dioden; die Durchlassspannung ist fast die gleiche wie bei einer PN-Diode.PIN-Dioden werden als variable Widerstände verwendet, insbesondere bei hohen Frequenzen, da sich ihr Widerstand mit dem fließenden Strom ändert. Sie können auch als Kondensatoren verwendet werden, wenn eine Sperrspannung angelegt wird.
Verwendungen von Pin-Dioden
PIN-Dioden zeichnen sich durch eine geringe Kapazität zwischen den Anschlüssen, einen niedrigen Serienwiderstand und hohe Frequenzen aus. Sie werden daher zum Schalten von Hochfrequenzsignalen, einschließlich Mobiltelefonen, verwendet, da sie die Hochfrequenz-Kommunikationsleitungen weniger beeinträchtigen können. Sie werden auch als variable Widerstände in Bandschaltungen, AGC-Schaltungen und Empfangsdämpfungsgliedern verwendet, da sich ihr Widerstand in Abhängigkeit vom Strom ändert. Sie wirken auch als Kondensatoren, wenn eine Sperrspannung angelegt wird.
Prinzip der Pin-Dioden
1. Wenn eine Vorwärtsspannung an eine Pin-Diode angelegt wird
Wenn eine Vorwärtsspannung an eine Pin-Diode angelegt wird, bewegen sich Löcher aus dem P-Typ-Halbleiter und Elektronen aus dem N-Typ-Halbleiter, um sich im I-Typ-Halbleiter zu treffen und zu rekombinieren, wo die angelegte Spannung bewirkt, dass sich die Elektronen und Löcher sehr schnell bewegen, was den Stromfluss erleichtert. Die aus den P- und N-Halbleitern wandernden Löcher und Elektronen treffen im I-Halbleiter zusammen, wodurch sich der Widerstand ändert. Mit anderen Worten: Der Widerstand ändert sich in Abhängigkeit von der Spannung, so dass das Bauelement als variabler Widerstand verwendet werden kann, indem die Spannung gesteuert wird.
Im Vergleich zu Halbleitern vom PN-Typ, die keinen Halbleiter vom I-Typ aufweisen, haben Pin-Dioden eine bessere Leistung, da sie Ladungsträger wie Löcher und Elektronen besser speichern können.
2. Wenn eine Sperrspannung an eine Pin-Diode angelegt wird
Wird dagegen eine Sperrspannung angelegt, sammeln sich Löcher und Elektronen auf den jeweiligen Oberflächen der P- und N-Halbleiter, und der I-Halbleiter wird zu einem Dielektrikum und wirkt als Kondensator.
Weitere Informationen über PIN-Dioden
1. Leitfähigkeitsmodulation in PIN-Dioden
Unter Leitfähigkeitsmodulation versteht man die Änderung des Widerstands, die dadurch verursacht wird, dass Ladungsträger in eine hochohmige Schicht fließen, wenn diese vorgespannt wird.
Die I-Schicht, die zwischen der P- und der N-Schicht liegt, besteht aus Elementen mit vierwertiger Valenz, wie Silizium (Si) und Germanium (Ge). Als reine Halbleiter, die keine anderen Elemente enthalten, werden sie als echte Halbleiter bezeichnet und sind durch stabile kovalente Bindungen mit acht Elektronen gebunden, was sie zu isolierenden Schichten macht, in denen keine Elektronenübertragung möglich ist.
Wenn sie jedoch in einer Pin-Diode in Durchlassrichtung vorgespannt sind, fließen Löcher aus der P-Schicht und Elektronen aus der N-Schicht, und die I-Schicht wird hochdotiert. Infolgedessen kommt es zu einer Leitfähigkeitsmodulation, und die I-Schicht, die einen hohen Widerstand hatte, wird zu einem niedrigen Durchlasswiderstand, wenn der Strom in Durchlassrichtung fließt.
2. Schalten mit PIN-Dioden
PIN-Dioden werden auch in Hochfrequenzschaltern eingesetzt. Im Niederfrequenzbereich gibt es auch mechanische Schalter, während bei hohen Frequenzen Koaxialrelais und Halbleiterschalter eingesetzt werden. In den letzten Jahren wurden sie aufgrund der weiten Verbreitung von LAN-Kommunikationssystemen und Radarsystemen in Fahrzeugen auch als MMIC-Schalter im Millimeterwellenbereich eingesetzt.
Das Prinzip von PIN-Dioden-Schaltkreisen besteht darin, dass bei Vorwärtsspannung ein Hochfrequenzsignal und bei Rückwärtsspannung kein Hochfrequenzsignal ausgegeben wird. In der Produktpalette gibt es sowohl reflektierende als auch absorbierende Typen. Reflektierende Schalter übertragen hochfrequente Leistung, wenn sie in Sperrichtung vorgespannt sind, und reflektieren sie, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind. Absorbierende Schalter haben ein niedriges Stehwellenverhältnis (VSWR) und einen geringen Signalverlust im ein- und ausgeschalteten Zustand.
3. Vor- und Nachteile von PIN-Dioden-Schaltern
Im Allgemeinen sind PIN-Dioden-Schalter in Bezug auf Schaltgeschwindigkeit und Kompaktheit überlegen, haben aber den Nachteil eines hohen Stromverbrauchs.
Der Grund für den hohen Stromverbrauch liegt in der Notwendigkeit einer hohen Vorspannung, um die Einfügeverluste gering zu halten. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde ein optischer Schalter namens MEMS (Micro Electro Mechanical System) für den Millimeterwellenbereich entwickelt, der sich auf dem heutigen Markt immer mehr durchsetzt.