PINダイオード

PINダイオード

PINダイオードの層
タイプ	半導体
発明家	1950
電子シンボル
ダイオードは図上で「PIN」文字で示される場合がある

PINダイオードは、p 型半導体領域とn 型半導体領域の間に、広くドープされていない真性半導体領域を持つダイオードです。p 型領域と n 型領域は、オーミック接触に使用されるため、通常は高濃度にドープされています。

広い固有領域は、通常のp-n ダイオードとは対照的です。広い固有領域により、PIN ダイオードは整流器としては劣りますが (ダイオードの典型的な機能の 1 つ)、減衰器、高速スイッチ、光検出器、高電圧パワー エレクトロニクス アプリケーションに適しています。

PINフォトダイオードは、 1950年に西澤潤一氏とその同僚によって発明された半導体デバイスです。

PIN ダイオードは、いわゆる高レベル注入で動作します。言い換えると、固有の「i」領域は「p」領域と「n」領域からの電荷キャリアで満たされます。その機能は、側面に穴の開いたバケツに水を満たすことに例えることができます。水が穴の高さに達すると、水が流れ出始めます。同様に、満たされた電子と正孔が平衡点に達すると、ダイオードは電流を伝導します。平衡点では、電子の数が固有領域内の正孔の数と等しくなります。

ダイオードが順方向バイアスされると、注入されたキャリア濃度は、通常、固有のキャリア濃度よりも数桁高くなります。この高レベルの注入は、空乏化プロセスによるもので、電界は領域の奥深く（ほぼ全長）まで広がります。この電界は、P 領域から N 領域への電荷キャリアの輸送を高速化するのに役立ち、ダイオードの動作が高速化されるため、高周波動作に適したデバイスになります。^{[引用が必要]}

PIN ダイオードは、低周波信号に対しては標準的なダイオード方程式に従います。高周波では、ダイオードはほぼ完全な (大信号でも非常に線形な) 抵抗器のように見えます。PIN ダイオードは、厚い固有領域に比較的大きな蓄積電荷を漂わせています。十分に低い周波数では、蓄積電荷を完全に掃引することができ、ダイオードはオフになります。高周波では、ドリフト領域から電荷を掃引する時間が足りないため、ダイオードはオフになりません。ダイオード接合から蓄積電荷を掃引するのに必要な時間は逆回復時間であり、PIN ダイオードでは比較的長くなります。与えられた半導体材料、オン状態のインピーダンス、および使用可能な最小 RF 周波数に対して、逆回復時間は固定されています。この特性は利用できます。PIN ダイオードの 1 つの種類であるステップ回復ダイオードは、逆回復の終わりに急激なインピーダンスの変化を利用して、高倍数の周波数逓倍に便利な狭いインパルス波形を作成します。^{[引用が必要]}

高周波抵抗はダイオードを流れるDCバイアス電流に反比例します。したがって、適切にバイアスされたPINダイオードは可変抵抗器として機能します。この高周波抵抗は広範囲にわたって変化する可能性があります（場合によっては0.1Ωから10kΩまでですが、 ^[1]使用可能な範囲は狭くなります）。

真性領域が広いということは、逆バイアス時のダイオードの静電容量が低くなることも意味します。

PIN ダイオードでは、空乏領域はほぼ完全に真性領域内に存在します。この空乏領域は PN ダイオードよりもはるかに大きく、ダイオードに適用される逆バイアスに関係なく、ほぼ一定のサイズです。これにより、入射光子によって電子正孔対が生成される体積が増加します。PIN フォトダイオードやフォトトランジスタ (ベース コレクタ接合が PIN ダイオード) などの一部の光検出デバイスでは、その構造に PIN 接合が使用されています。

ダイオードの設計には、いくつかの設計上のトレードオフがあります。真性領域の断面積を増やすと、蓄積電荷が増加して RF オン状態抵抗が減少しますが、逆バイアス容量も増加し、固定スイッチング時間中に電荷を除去するために必要な駆動電流が増加します。ただし、I 領域から電荷をスイープするために必要な最小時間には影響しません。真性領域の厚さを増やすと、蓄積電荷の合計が増加し、最小 RF 周波数が低下し、逆バイアス容量が減少しますが、順方向バイアス RF 抵抗は減少せず、ドリフト電荷をスイープして低 RF 抵抗から高 RF 抵抗に移行するために必要な最小時間が長くなります。ダイオードは、特定の RF バンドと用途に合わせてさまざまな形状で市販されています。

PINダイオードはRFスイッチ、減衰器、光検出器、位相シフターとして有用である。^[2]

ゼロまたは逆バイアス（「オフ」状態）では、PIN ダイオードの静電容量は低くなります。静電容量が低いため、 RF 信号はほとんど通過しません。1 mA の順方向バイアス（「オン」状態）では、一般的な PIN ダイオードの RF 抵抗は約1オームになり、RF の優れた導体になります。したがって、PIN ダイオードは優れた RF スイッチになります。

RF リレーはスイッチとして使用できますが、切り替え速度は比較的遅くなります (数十ミリ秒程度)。PIN ダイオード スイッチははるかに高速 (たとえば、1 マイクロ秒) に切り替えられますが、RF 周波数が低い場合、切り替え時間が RF 周期と同じ程度になるとは期待できません。

たとえば、「オフ」状態の個別 PIN ダイオードの静電容量は1 pFです。320 MHzでは、 1 pFの容量性リアクタンスは497 オームです。

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{\mathrm {ダイオード} }&={\frac {1}{2\pi fC}}\\&={\frac {1}{2\pi (320\times) 10^{6}\,\mathrm {Hz} )(1\times 10^{-12}\,\mathrm {F} )}}\\&=497\,\オメガ \end{整列}}}$

50 オームのシステムの直列要素として、オフ状態の減衰は次のようになります。

${\displaystyle {\begin{aligned}A&=20\log _{10}\left({\frac {Z_{\mathrm {load} }+Z_{\mathrm {source} }}{Z_{\mathrm {source} }+Z_{\mathrm {diode} }+Z_{\mathrm {load} }}}\right)\\&=20\log _{10}\left({\frac {50\,\Omega +50\,\Omega }{50\,\Omega +497\,\Omega +50\,\Omega }}\right)\\&={15.52}\,\mathrm {dB} \end{aligned}}}$

この減衰は十分ではない可能性があります。より高い絶縁が必要なアプリケーションでは、シャント ダイオードを直列素子に相補的にバイアスして、シャント素子と直列素子の両方を使用できます。シャント素子を追加すると、ソース インピーダンスと負荷インピーダンスが効果的に低下し、インピーダンス比が下がり、オフ状態の減衰が増加します。ただし、複雑さが増すだけでなく、オン状態のブロッキング素子の直列抵抗とオフ状態のシャント素子の静電容量により、オン状態の減衰が増加します。

PINダイオードスイッチは信号選択だけでなく部品選択にも使用されます。例えば、低位相ノイズ発振器の中には、インダクタの範囲切り替えにPINダイオードスイッチを使用するものもあります。^[3]

PIN ダイオードを通るバイアス電流を変更することで、RF 抵抗を素早く変更することができます。

高周波では、PIN ダイオードは、抵抗が順方向電流の逆関数である抵抗器として現れます。そのため、PIN ダイオードは、振幅変調器や出力レベリング回路などの可変減衰器設計で使用できます。

PIN ダイオードは、たとえば、ブリッジ T 減衰器のブリッジ抵抗器およびシャント抵抗器として使用できます。もう 1 つの一般的な方法は、直交ハイブリッドの 0 度ポートと -90 度ポートに接続された終端として PIN ダイオードを使用することです。減衰する信号は入力ポートに適用され、減衰結果は絶縁ポートから取得されます。ブリッジ T および π アプローチに対するこのアプローチの利点は、(1) 補完的な PIN ダイオード バイアス ドライブが不要 (両方のダイオードに同じバイアスが適用されます)、(2) 減衰器の損失が終端のリターン損失に等しく、非常に広い範囲で変化できることです。

PIN ダイオードは、高周波テスト プローブやその他の回路の入力保護デバイスとして使用するために設計されることがあります。入力信号が小さい場合、PIN ダイオードの影響は無視でき、寄生容量はわずかです。整流ダイオードとは異なり、高周波周波数で非線形抵抗を示さないため、高調波や相互変調積が生じません。信号が大きい場合、PIN ダイオードが信号の整流を開始すると、順方向電流がドリフト領域を充電し、デバイスの RF インピーダンスは信号振幅に反比例します。信号振幅が変化するこの抵抗は、エネルギーを消散させる抵抗ネットワークで信号の所定の部分を終了したり、入射信号をソースに反射するインピーダンス不整合を作成したりするために使用できます。後者は、アイソレータと組み合わせることができます。アイソレータは、永久磁場を使用して相互性を破壊し、抵抗負荷を使用して逆方向の進行波を分離して終了するサーキュレータを含むデバイスです。シャントリミッタとして使用する場合、PIN ダイオードのインピーダンスは RF サイクル全体にわたって低くなります。これは、RF サイクルごとに高抵抗から低抵抗に切り替わり、波形をクランプして完全には反映しないペア整流ダイオードとは異なります。高出力スパークギャップ入力保護デバイスの作成を可能にするガス分子のイオン化回復時間は、最終的にはガス内の同様の物理特性に依存します。

PINフォトダイオードは1950年に西澤潤一とその同僚によって発明されました。 ^[4]

PIN フォトダイオードは、光ファイバー ネットワーク カードやスイッチで使用されます。光検出器としての PIN ダイオードは逆バイアスされています。逆バイアスでは、ダイオードは通常は導通しません (小さな暗電流または I _sリークを除く)。十分なエネルギーを持つ光子がダイオードの空乏領域に入ると、電子正孔対が生成されます。逆バイアス フィールドによってキャリアが領域から押し出され、電流が生成されます。検出器によっては、アバランシェ増倍を使用できるものもあります。

同じメカニズムが太陽電池のPIN構造、またはpin接合にも当てはまります。この場合、従来の半導体p-n接合よりもPIN構造を使用する利点は、前者の長波長応答が優れていることです。長波長照射の場合、光子はセルの奥深くまで浸透します。しかし、空乏領域内およびその近くで生成された電子-正孔対のみが電流生成に寄与します。PIN構造の空乏領域は、真性領域全体に広がり、デバイスの奥深くまで伸びています。この広い空乏幅により、デバイスの奥深くで電子-正孔対が生成され、セルの 量子効率が向上します。

市販のPINフォトダイオードは、通信波長範囲（約1500 nm）で80～90％を超える量子効率を持ち、通常はゲルマニウムまたはInGaAsで作られています。これらは数十ギガヘルツに達する高速応答時間（pnフォトダイオードよりも高い）を特徴としており、^[5]高速光通信アプリケーションに最適です。同様に、シリコンpinフォトダイオード^[6]はさらに高い量子効率を持っていますが、シリコンのバンドギャップ以下の波長、つまり約1100 nmしか検出できません。

通常、アモルファス シリコン 薄膜セルはPIN 構造を使用します。一方、CdTeセルは PIN 構造のバリエーションである NIP 構造を使用します。NIP 構造では、固有の CdTe 層が n ドープ CdS と p ドープ ZnTe で挟まれており、PIN ダイオードとは異なり、光子は n ドープ層に入射します。

PIN フォトダイオードは、半導体検出器として使用される場合、電離放射線を検出することもできます。

現代の光ファイバー通信では、光送信機と受信機の速度が最も重要なパラメータの1つです。フォトダイオードの表面積が小さいため、寄生容量（不要な容量）が低減されます。現代のピンフォトダイオードの帯域幅は、マイクロ波とミリ波の範囲に達しています。^[7]

SFH203 と BPW34 は、5 mm の透明プラスチック ケースに入った、帯域幅が 100 MHz を超える安価な汎用 PIN ダイオードです。

• 光ファイバーケーブル
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• PINダイオード設計者ハンドブック
• 受信機プロテクタの PIN リミッタ ダイオード、Skyworks アプリケーション ノート