PIN 다이오드란?
PIN 다이오드란 P형 반도체와 N형 반도체 사이에 전기저항이 큰 진성 I형 반도체를 넣어 공핍층을 넓게 만든 다이오드입니다.
공핍층이 넓어 응답 특성이 향상되었습니다. 중앙의 I형 반도체의 저항이 높기 때문에 다이오드 중 단자간 용량이 가장 작은 다이오드이며, PN접합의 다이오드와 순방향 전압은 거의 차이가 없으며, PIN 다이오드는 흐르는 전류에 따라 저항이 변하기 때문에 특히 고주파의 가변저항으로 활용됩니다. 또한, 역방향 전압을 걸면 커패시터로 활용할 수 있습니다.
PIN 다이오드의 사용 용도
PIN 다이오드는 단자간 용량이 작고 직렬 저항이 낮은 성질이 있어 주파수 특성이 높은 특징을 가지고 있습니다. 따라서 고주파 통신 라인에 영향을 미치기 어렵기 때문에 휴대전화를 비롯한 고주파 신호의 스위칭에 사용됩니다. 또한, 전류에 따라 저항이 변하는 특성이 있어 가변저항으로 밴드 스위칭용, AGC 회로나 수신용 감쇠기에도 사용되고 있습니다. 또한, 역전압을 걸면 커패시터의 역할도 합니다.
PIN 다이오드의 원리
1. PIN 다이오드에 순방향 전압을 인가한 경우
그림 1. PIN 다이오드에 순방향 전압을 인가했을 때
PIN 다이오드는 순방향으로 전압을 가하면 P형 반도체에서 정공, N형 반도체에서 전자가 이동하여 I형 반도체 내에서 만나 재결합하게 되는데, I형 반도체 내에서는 가해진 전압에 의해 전자와 정공이 매우 빠르게 이동하게 되어 전류가 흐르기 쉬운 상태가 됩니다. 이 P형, N형에서 이동해 온 정공과 전자가 I형 반도체 안에서 만나면서 저항이 변화하게 됩니다. 즉, 전압에 따라 저항이 변화하기 때문에 전압을 제어하여 가변저항으로 활용할 수 있게 됩니다.
또한, I형 반도체의 공핍층의 두께나 면적을 변화시켜 단자간 용량을 변화시켜 저항 특성을 선택할 수 있으며, I형 반도체를 갖지 않은 PN형 반도체에 비해 PIN 다이오드는 정공, 전자 등의 캐리어를 축적하는 효과가 커서 성능이 향상됩니다.
2. PIN 다이오드에 역방향 전압을 인가한 경우
그림 2. PIN 다이오드에 역방향 전압을 인가한 경우
한편, 역방향 전압을 가하면 P형, N형 각각의 표면에 정공, 전자가 모여 I형 반도체는 유전체가 되어 커패시터 역할을 하게 됩니다.
PIN 다이오드의 기타 정보
1. PIN 다이오드의 전도도 변조
전도도 변조는 바이어스를 걸었을 때 고저항 층에 캐리어가 유입되어 저항값이 변하는 것을 말합니다.
P층과 N층 사이에 있는 I층은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)과 같은 4가 원소들로 구성되어 있습니다. 이들은 다른 원소를 포함하지 않는 순수 반도체로 진성 반도체라고 불리며, 8개의 전자가 안정된 공유결합에 의해 묶여 있어 전자의 이동이 불가능한 절연층입니다.
하지만 PIN 다이오드에서 순방향 바이어스를 하면 P층에서 정공, N층에서 전자가 유입되어 I층은 고농도로 도핑된 것과 같은 상태가 됩니다. 그 결과 전도도 변조가 발생하여 고저항이었던 I층은 순방향으로 전류가 흐르게 되어 저온 저항이 됩니다.
2. PIN 다이오드에 의한 스위치
PIN 다이오드는 고주파 스위치에도 활용되고 있습니다. 저주파수 영역에서는 기계식 스위치도 있지만, 고주파에서는 동축 릴레이나 반도체 스위치가 사용됩니다. 최근에는 LAN 통신 시스템이나 차량용 레이더 시스템의 보급으로 밀리파 대역 MMIC 스위치로도 활용되고 있습니다.
PIN 다이오드의 스위치 회로는 순방향 바이어스 시에는 고주파 신호가 출력되고, 역방향 바이어스 시에는 고주파 신호가 출력되지 않는 원리입니다. 제품 라인업으로는 반사형과 흡수형이 있습니다. 반사형 스위치는 고주파 전력이 역방향 바이어스 시에는 투과, 순방향 바이어스 시에는 반사되는 타입입니다. 흡수형 스위치는 ON/OFF 모두에서 전압 정재파비(VSWR)가 작아 신호 손실이 적은 타입입니다.
3. PIN 다이오드 스위치의 장단점
일반적으로 PIN 다이오드 스위치는 스위칭 속도와 크기가 작다는 장점이 있지만, 소비전력이 크다는 단점이 있습니다.
소비전력이 커지는 요인으로는 삽입 손실을 줄이기 위해 높은 바이어스를 걸어야 하기 때문입니다. 이러한 단점을 보완한 밀리미터파 대역의 스위치로 MEMS(Micro Electro Mechanical System)라는 광스위치가 개발되어 오늘날 시장에서 점유율을 높여가고 있습니다.