PIN-диоды для чайников. Часть 2 / Хабр
PIN-диод представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из сильнолегированных p+ и n+ областей и разделяющего их слаболегированного слоя – слоя собственной проводимости (intrinsic). Благодаря наличию этого слоя, т.н. «базы», pin-диод является плохим выпрямителем и находит применение в СВЧ-технике. В данной статье рассмотрены аспекты использования pin-диодов в СВЧ-схемах для практических применений, то есть только необходимые разработчику данные, чтобы максимально точно выполнить проектирование. Статья не претендует на сколько-либо научный труд, а является скорее справочником и сборником разрозненной информации о pin-диодах. Особое внимание уделено особенностям использования pin-диодов на высоком уровне СВЧ-мощности, таких как вопросы пробоя, влияния высокочастотного поля на режим работы диода и проблемы тепловыделения, которые являются ключевыми для разработчика мощных приборов.
Первую часть, посвященную общей информации о pin-диодах, можно прочитать тут.
Ограничения по входной СВЧ мощности
Условием стабильной работы диода в открытом состоянии является малое влияния высокочастотного тока на накопленный в базе заряд, то есть на проводимость диода. Суммарный заряд равен
отсюда видно, что необходимо соблюдение условия
В закрытом состоянии критическим является значение напряжения, возникающего на pin-диоде. Оно также складывается из постоянного запирающего напряжения и из пиковой амплитуды СВЧ-поля, которое различно для различных способов включения диода в схему. Надо отметить, что для работы в импульсном режиме надо рассматривать именно пиковое значение напряжения. Это суммарное значение напряжения не должно превышать пробойного, заявленного производителем или рассчитанного. Например, для кремния пробойным является напряжение 12В на мкм толщины базы, для арсенида галлия около 18 В/мкм. Карбид кремния же, в силу бОльшей ширины запрещенной зоны, обладает примерно в 10 раз бОльшей электрической прочностью. Именно поэтому можно делать диоды на карбиде кремния с тонкой базой, что увеличивает быстродействие диода.
Идеальным является случай, когда сумма СВЧ-напряжения на диоде и постоянного запирающего напряжения не превышает пробойного при отрицательной полуволне и не превышает 0 при положительной полуволне. Иначе диод будет пробит в первом случае, во втором же возрастают вносимые потери из-за появления проводимости. Это означает, что обратное запирающее напряжение должно быть как минимум равно амплитуде СВЧ-поля, что зачастую невозможно в мощных устройствах. Поэтому разработчики допускают превышение суммарного напряжения над 0 вольт при положительной полуволне, то есть допускают частичное открывание диода. Эта уступка связана с тем, что за время положительного суммарного напряжения на диоде он физически не успеет перейти в проводящее состояние, и база не успевает заполниться носителями заряда. Анализ этого эффекта в литературе освещен мало, поэтому разработчики обычно проводят экспериментальное исследование. Однако существует теоретическая модель, связанная с анализом накопленного в базе заряда, которая определяет минимальное допустимое значение обратного напряжения смещения
Время переключения
Время переключения между состояниями диода определяется процессами заполнения и рассасывания заряда в области базы.
Переключение из открытого в закрытое состояние:
При таком переключении после включения обратного запирающего напряжения в цепи кратковременно протекает обратный ток IR– заряд уходит из базы. Чем сильнее ограничен ток в этой цепи, тем медленнее происходит переключение. Это означает, что время переключения не является собственным свойством диода.
Переключение из закрытого в открытое состояние TRF можно оценить по типичным данным, приведенным ниже. В основном оно зависит от толщины базы. Сам процесс переключения представляет собой наполнение базы носителями заряда.
W, мкм | до 10 мА от | до 50 мА от | до 100 мА от | |||
10 В | 100 В | 10 В | 100 В | 10 В | 100 В | |
175 | 7 мкс | 5 мкс | 3 мкс | 2. | 2 мкс | 1.5 мкс |
100 | 2.5 мкс | 2 мкс | 1 мкс | 0.8 мкс | 0.6 мкс | 0.6 мкс |
50 | 0.5 мкс | 0.4 мкс | 0.3 мкс | 0.2 мкс | 0.2 мкс | 0.1 мкс |
5 мксНадо отметить, что время переключения TRF обычно меньше, чем TFR. Также необходимо учитывать быстродействие драйвера.
В силу большей подвижности носителей заряда, PIN-диоды на арсениде галлия обладают существенно большим быстродействием по сравнению с кремниевыми.
Варианты включения pin-диода в схему
Последовательный SPST ключ
В закрытом состоянии создает режим стоячей волны в линии.
Вносимые потери
Рассеиваемая RF мощность*
Максимальный RF ток диода*
Максимальное RF напряжение на диоде*
*) Если схема рассогласована, умножить на коэффициент
для токов и напряжения и на коэффициент в квадратедля мощностей
Параллельный SPST ключ
В закрытом состоянии создает режим бегущей волны в линии.
Вносимые потери
Развязка
Рассеиваемая RF мощность (открытое состояние)*
Рассеиваемая RF мощность (закрытое состояние)*
Максимальный RF ток диода*
Максимальное RF напряжение на диоде*
*) Если схема рассогласована, умножить на коэффициент
для токов и напряжения и на коэффициент в квадратедля мощностей
продолжение следует…
Использованная литератураMicrosemi corp. The PIN diode circuit designers’ handbook.
Skyworks solution inc. Design with PIN diodes.
О.Г.Вендик, М.Д.Парнес. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию).
Г.С.Хижа, И.Б.Вендик, Е.А.Серебрякова. СВЧ фазовращатели и переключатели.
Г.Уотсон. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение.
А.В.Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых приборах.
СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под редакцией И.В.Мальского и Б.
В.Сестрорецкого.R.Caverly and G.Hiller. Establishing the minimum reverse bias for a p-i-n diode in a high-power switch.
Н.Т.Бова, Ю.Г.Ефремов, В.В.Конин. Микроэлектронные устройства СВЧ.
MA-COM tech. Comparison of Gallium Arsenide and Silicon PIN diodes for High Speed Microwave Switches.
В.Сестрорецкого.Electronic T/R Switching и Ameritron QSK-5
Electronic T/R Switching и Ameritron QSK-5 – Как PIN-диоды и PIN-диодные переключатели работаютКак работают PIN-диоды и PIN-диодные переключатели
Структура PIN-диода
| Главная страница | Рукопожатие Цепь |
| Как PIN-диоды и PIN-код Диодные переключатели Work | Индикатор QSK Модификация |
| Строительство Электронный переключатель передачи/приема с использованием PIN-диодных переключателей | Горячий Переключение |
| Драйвер переключателя PIN-кода — токарная обработка Выключение и включение PIN-диода | Печатная плата и детали Идентификационный номер |
| T/R ввод и синхронизация Схемы | Схема и описание схемы |
Примечание по технике безопасности.
| Что такое PIN-диод? |
| Как ведет себя PIN-диод отличается от обычного PN-диода? |
| Как вы применяете DC и RF к диод одновременно? |
| Что, если мне нужно лучше изоляция при выключенном выключателе? |
| Что делать, если мне нужно больше мощности способность? |
Что такое PIN-диод:
Обычные диоды с PN-переходом, такие как диод 1N4005, часто используемые в силовых установках.
поставки состоят из области положительно легированной (P) и отрицательно легированной (N)
кремний соединен вместе, как показано ниже:
Структура PN-диода
PIN-диод представляет собой переходной диод с нелегированной областью (внутренний = I) кремний, расположенный между обычным положительно легированным (P) и отрицательно легированным легированных (N) областей, как видно на диаграмме ниже:
Структура PIN-диода
Добавление внутренней области сильно меняет поведение диода на радиочастотах за счет снижения емкости между P и N области и увеличивая время, необходимое диоду для переключения между проводящие и непроводящие режимы.
Чем отличается поведение PIN-диода
от обычного PN-диода?
На более низких частотах, таких как частоты линий электропередач и звуковые частоты,
PIN-диод ведет себя так же, как обычный диод. Он пропускает ток только в одном
направление. Однако на частотах радио PIN-диод ведет себя очень
отличается от обычного диода.
На радиочастотах PIN-диод действует как конденсатор малой емкости или как переменный резистор, в зависимости от смещения постоянного тока, подаваемого на диод. Если диод обратное смещено при постоянном токе, при ВЧ ведет себя как очень маленькое значение конденсатор емкостью примерно 1 пф. Хотя RF может пройти через Конденсатор 1 пф, количество, которое проходит, довольно мало. Если утечка через 1 пф проблема, несколько диодов можно накрутить последовательно, уменьшив тем самым емкость и, следовательно, остаточную утечку. Таким образом, для ВЧ действует PIN-диод как разомкнутый ключ, если он смещен в обратном направлении постоянным током. Несмотря на то, что переменный ВЧ-ток, наложенный на постоянный ток, может иногда смещать в прямом направлении диод, медленное время отклика, вызванное дополнительным слоем «I». препятствует его включению.
Если PIN-диод прямой смещен по постоянному току, для ВЧ он ведет себя как
резистор.
ВЧ-сопротивление обратно пропорционально прямому смещению постоянного тока.
текущий. Сопротивление может достигать 10 000 Ом для очень малых передних
токов и всего 0,1 Ом, если прямой постоянный ток смещения составляет 100 мА. Каждый
Тип диода имеет различное сопротивление по сравнению с характеристикой прямого смещения. Если
прямой ток через диод близок к максимальному, на который рассчитан диод
поскольку обычно он имеет ВЧ-сопротивление всего 0,1 Ом и, таким образом, действует как
закрытый переключатель.
Если мы можем одновременно подавать на PIN-диод как постоянный, так и высокочастотный ток, мы можем использовать
PIN-диод в качестве ВЧ-переключателя.
Обратное смещение диода при постоянном токе поворачивает ключ
выключается, и прямое смещение диода при постоянном токе включает ключ. Результирующий
«твердотельный переключатель» имеет время переключения намного быстрее, чем любой
механический переключатель или реле.
Как подавать на диод как постоянный, так и высокочастотный ток?
в то же время?
Это не так сложно, как может показаться. Поскольку конденсаторы блокируют постоянный ток при прохождении
РЧ и РЧ дроссели блокируют РЧ при прохождении постоянного тока, их комбинация должна
Покажи фокус. Взгляните на диаграмму ниже, которая является схемой
простой однополюсный/однонаправленный радиочастотный переключатель с использованием PIN-диода:
Одновременное применение ВЧ и постоянного смещения
Как видно на схеме, ВЧ подается на диод и выходит из него
через блокировочные конденсаторы 0,01 мкФ. Они позволяют РФ пройти через
диода, предотвращая попадание смещения постоянного тока в ВЧ-цепи.
На приведенной выше схеме, если к клеммам смещения постоянного тока подключено напряжение около 200 В постоянного тока. (отрицательное соединение идет вверх) диод будет смещен в обратном направлении и переключатель будет выключен. Требуется очень небольшой ток от 200В. питания, так как диод смещен в обратном направлении.
Если около 50 мА от источника гораздо более низкого напряжения пропускают через диод в прямом направлении ( положительный соединение идущее к вверху), тогда диод будет смещен в прямом направлении, и переключатель будет включен.
Кстати, пусть диодная стрелка не вводит вас в заблуждение. Что касается РФ это не диод, а переключатель/резистор, и ВЧ отлично счастлив пройти через диод в любом случае!
Переключатель выше рассчитан только на низкую мощность и предназначен для использования в качестве
переключиться в приемную или QRP-цепь.
Что делать, если мне нужна лучшая изоляция, когда
выключатель выключен?
Если утечка через один диод при выключении ключа слишком велика,
то первое, что вы должны сделать, это убедиться, что вы применяете
наибольшее возможное обратное смещение . Повышение обратного смещения снижает емкость диода, уменьшающая утечку. Если повысить смещение до
максимум не обеспечивает достаточную изоляцию, тогда вам нужно использовать более одного
диод последовательно, как показано ниже:
Последовательное подключение диодов для обеспечения лучшей изоляции
Это та же схема, что и раньше, но теперь два диода включены последовательно с
Выравнивающий резистор 1 МОм, подключенный к каждому, чтобы убедиться, что обратный
смещение делится поровну между диодами. Обратите внимание, что теперь вы должны 
Эффективная емкость двух последовательно соединенных диодов составляет половину
емкость одного диода. Вы можете использовать столько диодов, сколько необходимо.
Ameritron QSK-5 использует в общей сложности восемь диодов последовательно (в небольшом
другой конфигурации) в приемном коммутаторе, чтобы обеспечить достаточную изоляцию между
вход и выход усилителя.
Что делать, если мне нужно больше мощности
способность?
Если коммутатор должен выдерживать большую мощность, одним из вариантов является использование большего PIN-кода.
диод. Однако существует практический предел размера диода, и если мощность не
обслуживается одним диодом, тогда диоды можно ставить параллельно
для обработки большей мощности. Обратите внимание, что смещение постоянного тока к диодам должно применяться
в серии , чтобы убедиться, что прямое смещение одинаково в каждом из них. Это также
снижает ток потребления источника питания смещения. Однако диоды должны
быть подключен в параллельно для РФ.
См. схему ниже:
Параллельное подключение диодов для ВЧ и последовательное подключение для постоянного тока для увеличения мощности
Обработка
В приведенной выше схеме, которая используется в
Америтрон
QSK-5, прямой ток смещения постоянного тока течет сверху вниз последовательно
через диоды. Это гарантирует, что течет один и тот же ток смещения.
через каждый диод так, чтобы ВЧ-сопротивление было одинаковым для всех. Диоды
однако связаны в 
В приведенной выше схеме обратное смещение должно быть в четыре раза больше необходимого.
одним диодом, чтобы убедиться, что диоды полностью отключены.
ВЧ-дроссели, используемые в этой схеме, имеют номинал 100 мкГн вместо 2,5 мГн, как в другие переключатели, показанные выше. Это потому, что дроссели 2,5 мГн не могут работать больший прямой ток смещения больших диодов. Чтобы убедиться, что нет остаточная радиочастота проходит через дроссели в источник смещения, конец каждого дросселя шунтируется на землю конденсатором 0,01 мкФ.
Назад к доктору Грегу Латте Электротехника и радиолюбительские страницы
Вопросы, комментарии и электронная почта
Если у вас есть вопросы или комментарии, вы можете отправить электронное письмо доктору Грегу Латте по адресу [email protected]
Спасибо, что заглянули!
Микроволны101 | PIN-диоды
PIN-диоды — это рабочая лошадка в отрасли твердотельных микроволновых переключателей! Аббревиатура «PIN» соответствует полупроводниковому стеку материалов P-типа, внутреннего и N-типа.
PIN-диоды могут быть изготовлены как на GaAs, так и на кремнии.
Небольшой совет для всех, кто хочет узнать о PIN-диодах… во всемирной паутине есть множество отличных спецификаций от поставщиков PIN-диодов, которые все объясняют! Почему мы не предлагаем ссылки на них с этой страницы, вы спросите… почему они не платят нам за бизнес, мы спрашиваем.
В PIN-диоде контакт P является анодом, а контакт N — катодом. Соблюдается соглашение, согласно которому сторона, на которую подается постоянный ток (при прямом смещении), всегда называется анодом. На схематическом обозначении анодом является сторона с треугольником, катодом — сторона с «пластиной». Как запомнить, что есть что? Обозначение анода — треугольник, являющийся частью буквы А…
P-сторона | N-сторона |
Типы PIN-диодов
На рисунке ниже показан горизонтальный PIN-диод, иногда называемый H-PIN.
Здесь слои P и N формируются поверх слоя I.
Вот то, что известно как вертикальный PIN-диод или V-PIN. Здесь диод сформирован из стопки трех материалов сверху вниз P, I, N.
Наконец, вот структура, известная как NIP-диод. Это просто PIN-диод, перевернутый.
Реакция PIN-диода
PIN-диод действует как резистор, управляемый током. Чем больший ток вы подаете через область I, тем ниже ВЧ-сопротивление. Характеристика тока/сопротивления в идеале R=K/I (где K — постоянная), которая выглядит как прямая линия на графике в логарифмическом масштабе. Спасибо за поправку, Мортен!
Посмотрите на диапазон сопротивлений, который вы можете получить, от 0,1 Ом до 10 000 Ом… да, PIN-диод в значительной степени покрывает всю горизонтальную ось диаграммы Смита! (Посмотрите на приведенную выше диаграмму и обратите внимание, что 50 Ом находятся очень близко к центру отклика). Это то, что делает его таким универсальным устройством, оно может вести себя как разомкнутая цепь, короткое замыкание или любой промежуточный коэффициент отражения.
Вы можете использовать его для создания переключателей, фазовращателей и регулируемых аттенюаторов, и мы покажем вам, как это сделать, если вы перейдете по ссылкам в верхней части страницы.
Нижняя частота ограничения PIN-диодов
PIN-диоды имеют ограничение низкой частоты из-за срока службы несущей. Что такое перевозчик? Какая разница? Проблему можно объяснить, не беспокоясь о физике полупроводников.
“Обычный” диод работает как выпрямитель, независимо от частоты. Выпрямитель имеет знакомую нелинейную ВАХ. При прямом смещении ток устремляется к Луне после полувольта или около того. При обратном смещении ток практически равен нулю для многих вольт, пока не произойдет пробой. Диод Шоттки является отличным примером выпрямительного диода, поэтому он используется в качестве детектора. Входит RF, уходит DC.
PIN-диод действует как выпрямитель только на низких частотах. На микроволновых частотах ВАХ претерпевает изменения, так что она ведет себя как резистор, значение сопротивления которого определяется уровнем постоянного тока, присутствующего в I-области.
Таким образом, PIN-диод представляет собой высокочастотный резистор, управляемый постоянным током. Не менее важно и то, что при отсутствии постоянного тока диод ведет себя как разомкнутая цепь.
Частота, при которой PIN-диод переходит от действия диода к действию резистора, зависит от толщины I-области. Более толстые диоды можно использовать в качестве переключателей на более низкие частоты. Тщательно выбирая диоды, вы можете заставить PIN-диодные переключатели работать на частотах до 1 МГц.
Как будто это поведение было недостаточно выдающимся, подождите, это еще не все! Управляющий ток постоянного тока может быть небольшим, в то время как микроволновый ток может быть огромным … несколько миллиампер тока на постоянном токе могут привести к тому, что PIN-диод закоротит ампер или более ВЧ-тока. Это огромное преимущество для разработчиков ВЧ-переключателей, которым необходимо учитывать управление мощностью.
Ограничители с PIN-диодами
PIN-диоды также можно использовать для создания ограничителей (разновидность нелинейных устройств), обычно в качестве одного или нескольких шунтирующих элементов на линии передачи.
