diodo PIN

En polarización cero o inversa (estado "apagado"), un diodo PIN tiene una capacitancia baja . Esta baja capacitancia impide el paso de una señal de RF significativa . Con una polarización directa de 1 mA (estado "encendido"), un diodo PIN típico presenta una resistencia de RF de aproximadamente 1 ohmio , lo que lo convierte en un buen conductor de RF. Por consiguiente, el diodo PIN funciona bien como interruptor de RF.

Si bien los relés de RF pueden usarse como interruptores, su conmutación es relativamente lenta (del orden de decenas de milisegundos ). Un interruptor de diodo PIN puede conmutar mucho más rápido (por ejemplo, 1 microsegundo ), aunque a frecuencias de RF más bajas no es razonable esperar tiempos de conmutación del mismo orden de magnitud que el período de RF.

Por ejemplo, la capacitancia de un diodo PIN discreto en estado "apagado" podría ser de 1 pF . A 320 MHz , la reactancia capacitiva de 1 pF es de 497 ohmios :

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{\mathrm {diode} }&={\frac {1}{2\pi fC}}\\&={\frac {1}{2\pi (320\times 10^{6}\,\mathrm {Hz} )(1\times 10^{-12}\,\mathrm {F} )}}\\&=497\,\Omega \end{aligned}}}$

Como elemento en serie en un sistema de 50 ohmios , la atenuación en estado apagado es:

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

Esta atenuación podría no ser suficiente. En aplicaciones donde se requiere mayor aislamiento, se pueden usar elementos en paralelo y en serie, con los diodos en paralelo polarizados de forma complementaria a los elementos en serie. La adición de elementos en paralelo reduce eficazmente las impedancias de la fuente y la carga, disminuyendo la relación de impedancias y aumentando la atenuación en estado apagado. Sin embargo, además de la complejidad adicional, la atenuación en estado encendido aumenta debido a la resistencia en serie del elemento de bloqueo en estado encendido y la capacitancia de los elementos en paralelo en estado apagado.

Los interruptores de diodo PIN se utilizan no solo para la selección de señales, sino también para la selección de componentes. Por ejemplo, algunos osciladores de bajo ruido de fase los utilizan para conmutar el rango de los inductores. ^{[ 5 ]}

Al modificar la corriente de polarización que atraviesa un diodo PIN, es posible cambiar rápidamente su resistencia de radiofrecuencia.

A altas frecuencias, el diodo PIN se comporta como una resistencia cuya resistencia es inversamente proporcional a su corriente directa. Por consiguiente, el diodo PIN puede utilizarse en algunos diseños de atenuadores variables como moduladores de amplitud o circuitos de nivelación de salida.

Los diodos PIN se pueden usar, por ejemplo, como resistencias de puente y derivación en un atenuador en T puenteado. Otro enfoque común es usar diodos PIN como terminaciones conectadas a los puertos de 0° y -90° de un híbrido en cuadratura. La señal que se va a atenuar se aplica al puerto de entrada, y el resultado atenuado se toma del puerto de aislamiento. Las ventajas de este enfoque sobre los enfoques en T puenteado y pi son: (1) no se necesitan polarizaciones complementarias para los diodos PIN (se aplica la misma polarización a ambos diodos) y (2) la pérdida en el atenuador es igual a la pérdida de retorno de las terminaciones, que se puede variar en un rango muy amplio.

Los diodos PIN se diseñan a veces para su uso como dispositivos de protección de entrada para sondas de prueba de alta frecuencia y otros circuitos. Si la señal de entrada es pequeña, el diodo PIN tiene un impacto insignificante, presentando solo una pequeña capacitancia parásita. A diferencia de un diodo rectificador, no presenta una resistencia no lineal a frecuencias de RF, lo que daría lugar a armónicos y productos de intermodulación. Si la señal es grande, cuando el diodo PIN comienza a rectificarla, la corriente directa carga la región de deriva y la impedancia de RF del dispositivo es inversamente proporcional a la amplitud de la señal. Esta resistencia variable en función de la amplitud de la señal se puede utilizar para terminar una porción predeterminada de la señal en una red resistiva que disipa la energía o para crear un desajuste de impedancia que refleja la señal incidente de vuelta hacia la fuente. Esto último se puede combinar con un aislador, un dispositivo que contiene un circulador que utiliza un campo magnético permanente para romper la reciprocidad y una carga resistiva para separar y terminar la onda que viaja hacia atrás. Cuando se utiliza como limitador de derivación, la impedancia del diodo PIN es baja durante todo el ciclo de RF, a diferencia de los diodos rectificadores emparejados que oscilarían entre una resistencia alta y una baja durante cada ciclo de RF, limitando la forma de onda y sin reflejarla completamente. El tiempo de recuperación de la ionización de las moléculas de gas que permite la creación del dispositivo de protección de entrada de descarga de chispa de mayor potencia se basa, en última instancia, en principios físicos similares a los de un gas.

El fotodiodo PIN fue inventado por Jun-ichi Nishizawa y sus colegas en 1950. ^{[ 1 ]}

Los fotodiodos PIN se utilizan en tarjetas y conmutadores de red de fibra óptica. Como fotodetector, el diodo PIN tiene polarización inversa. Bajo polarización inversa, el diodo normalmente no conduce (salvo una pequeña corriente oscura o fuga I _s ). Cuando un fotón con energía suficiente entra en la región de agotamiento del diodo, crea un par electrón-hueco . El campo de polarización inversa expulsa los portadores de la región, creando corriente. Algunos detectores pueden utilizar la multiplicación por avalancha .

El mismo mecanismo se aplica a la estructura PIN, o unión PIN , de una celda solar . En este caso, la ventaja de usar una estructura PIN sobre la unión p-n semiconductora convencional radica en la mejor respuesta a longitudes de onda largas de la primera. En el caso de irradiación de longitud de onda larga, los fotones penetran profundamente en la celda. Sin embargo, solo los pares electrón-hueco generados en la región de agotamiento y sus proximidades contribuyen a la generación de corriente. La región de agotamiento de una estructura PIN se extiende a través de la región intrínseca, penetrando profundamente en el dispositivo. Este mayor ancho de agotamiento permite la generación de pares electrón-hueco en el interior del dispositivo, lo que aumenta la eficiencia cuántica de la celda.

Los fotodiodos PIN disponibles comercialmente tienen eficiencias cuánticas superiores al 80-90% en el rango de longitud de onda de telecomunicaciones (~1500  nm) y suelen estar hechos de germanio o InGaAs . Presentan tiempos de respuesta rápidos (superiores a los de sus homólogos pn), que alcanzan varias decenas de gigahercios, ^{[ 6 ]} lo que los hace ideales para aplicaciones de telecomunicaciones ópticas de alta velocidad. De manera similar, los fotodiodos PIN de silicio ^{[ 7 ]} tienen eficiencias cuánticas aún mayores, pero solo pueden detectar longitudes de onda superiores a la banda prohibida del silicio, es decir, ~1100  nm.

Por lo general, las células de película delgada de silicio amorfo utilizan estructuras PIN. Por otro lado, las células de CdTe utilizan una estructura NIP, una variación de la estructura PIN. En una estructura NIP, una capa intrínseca de CdTe se encuentra intercalada entre capas de CdS dopado con tipo n y ZnTe dopado con tipo p; los fotones inciden sobre la capa dopada con tipo n, a diferencia de lo que ocurre en un diodo PIN.

Un fotodiodo PIN también puede utilizarse como detector semiconductor para detectar radiación ionizante .

En las comunicaciones modernas por fibra óptica, la velocidad de los transmisores y receptores ópticos es uno de los parámetros más importantes. Debido a la pequeña superficie del fotodiodo, su capacitancia parásita (no deseada) se reduce. El ancho de banda de los fotodiodos PIN modernos está alcanzando el rango de microondas y ondas milimétricas. ^{[ 8 ]}