دیود PIN وسیله ی نیمه هادی است که به عنوان یک مقاومت متغیر در فرکانس های RF و مایکروویوی عمل می کند. مقدار مقاومت دیود PIN به تنهائی توسط جریان dc بایاس مستقیم آن مشخص می شود.
دیود PIN وسیله ی نیمه هادی است که به عنوان یک مقاومت متغیر در فرکانسهای RF و مایکروویوی عمل می کند. مقدار مقاومت دیود PIN به تنهائی توسط جریان dc بایاس مستقیم آن مشخص می شود.
دیود PIN می بایست در کاربردهای سوئیچ و تضعیف کننده به طور ایده آلی سطح سیگنال RF را بدون اعوجاج کنترل کند زیرا ممکن است باعث تغییراتی در شکل سیگنال RF شود. مشخصه ی مهم و افزوده ی این دیودها توانائی آنها در کنترل سیگنالهای RF بزرگ در هنگامی است که از سطح تحریک dc بسیار کمی استفاده می کنند.
مدلی از دیود PIN در شکل 1 نشان داده شده است. این چیپ با شروع از یک ویفر تهیه می شود که اغلب به طور ذاتی سیلیکون خالص است و عمر زیادی دارد. سپس ناحیه ی P روی یک سطح و ناحیه ی N روی سطح دیگر تزریق می شوند. ضخامت W ناحیه ی ایجاد شده یا ناحیه-I تابعی از ضخامت ویفر سیلیکونی پایه است و مساحت چیپ A وابسته به این است که به چه مقدار بخش های کوچکی از ویفر اصلی تعریف شده است.
کارایی دیود PIN در ابتدا وابسته به ظاهر چیپ و طبیعت نیمه هادی دیود ساخته شده خصوصاً در ناحیه-I است. اگر ضخامت ناحیه-I کنترل شود، طول عمر بالای عبور حامل و مقاومت بالای آن را به همراه خواهد داشت. این مشخصات توانائی کنترل سیگنال RF را با کمترین اعوجاج بهبود می بخشند آن هم در مواقعی که نیازمند استفاده از منبع تغذیه ی dc سطح پائین هستیم.
دیود PIN در بایاس مستقیم
هنگامیکه که دیود PIN در بایاس مستقیم است، حفره ها و الکترونها از نواحی P و N به ناحیه-I انتشار می یابند. این بارها به سرعت ترکیب مجدد نمی شوند و در عوض مقدار محدودی از بارها برای همیشه در ناحیه-I باقی مانده و مقاومت آن را کاهش می دهند. مقدار بار ذخیره شده Q به زمان ترکیب مجدد، τ عمرحامل، و جریان بایاس مستقیم IF وابسته است(رابطه ی 1):
مقاومت RS ناحیه-I تحت بایاس مستقیم به طور معکوس به Q وابسته بوده و ممکن است به شکل زیر بیان شود(رابطه ی 2):
فرمول
از ترکیب روابط 1 و 2 رابطه ای برای RS بدست می آید که به عنوان تابعی معکوس از جریان است(رابطه ی 3):
فرمول
این رابطه مستقل از مساحت است ولی در دنیای واقعی، RS کمی به مساحت وابسته است آن هم از این جهت که عمر موثر با مساحت و ضخامت (ناشی از ترکیب مجدد لبه) تغییر می کند. به طور نمونه، دیودهای PIN مشخصه مقاومت مشابه آنچه در شکل 2 رسم شده است را دارند. مقاومت در حدود 0.1 اهم در جریان بایاس مستقیم 1A به حدود 10K اهم در جریان بایاس مستقیم 1uA افزایش می یابد که بازه ای خوب برای دیود PIN است.
ماکزیمم مقاومت بایاس مستقیم (RS(max برای یک دیود PIN معمولاً در جریان بایاس مستقیم 100mA مشخص می شود. در بعضی مواقع (RS(min توسط جریان بایاس مستقیم 10uA مشخص می شود. این مشخصه ها یک بازه ی وسیع از مقاومت دیود را تضمین می کنند که خصوصاً در کاربردهای تضعیف کننده مهم است. در فرکانسهای پائینتر، RS ثابت نیست ولی با کاهش فرکانس، افزایش می یابد. دیودهای PIN معمولی که برای کار در فرکانسهای RF و مایکروویوی طراحی شده اند این افزایش در مقاومت RS را در بازه ی 1MHz تا 10MHz نشان می دهند. مثال خوب از این بازه ی فرکانسی سری UM2100 هستند. محدودیت عملی در مقاومت پائین از القای مزاحم بسته بندی و مقاومت اتصال پایه ها نتیجه می شود. بازه ی وسیع مقاومت دیود PIN معمولاً توسط اثر خازن دیود CT محدود می شود. برای تحقق بخشیدن به ماکزیمم رنج دینامیکی دیود PIN در فرکانسهای بالا، این راکتانس دیود می بایست تنظیم شود.
باید توجه داشت که اثر پوستی در هادیهای نسبتاً ضعیف نظیر سیلیکون به نسبت هادیهای خوب فلزی کمتر مورد توجه قرار می گیرند و این قضیه از این جا نشعت می گیرد که عمق پوستی با ریشه ی دوم هدایت ماده ی هدایت کننده متناسب است. بنابراین، سیگنالهای RF عمیقاً در نیمه هادی رسوخ می کنند و اثر پوستی فاکتور مهمی برای فرکانسهای زیر باند X نمی باشد. (8.2GHz تا 12.4GHz)
در dc و فرکانسهای بسیار پائین دیود PIN مشابه دیود PN بوده و مقاومت دیود توسط مقاومت دینامیکی مشخصه ی I-V در هر نقطه بایاس مشخص می شود. به هر حال مقاومت دینامیکی نقطه ی dc در دیود PIN برای فرکانسهای بالائی که در آنها پریود کوتاهتر از زمان گذر از ناحیه-I هستند معتبر نمی باشد. فرکانسی که چنین پدیده ای در آن رخ می دهد، fT، فرکانس زمان گذر نامیده می شود و می تواند محدودیت فرکانسی پائین تری را با آنچه رابطه 3 اعمال می کند در نظر بگیرد. این محدودیت فرکانس پائینتر در ابتدا تابعی از W، ضخامت ناحیه-I بوده و می تواند به این صورت بیان شود(رابطه ی 4):
فرمول
که W، ضخامت ناحیه-I بر حسب میکرون(میلیونیم متر) است. برای نمونه این فرکانس پائین از تقریباً 5KHz برای ضخیم ترین دیودها (سری UM2100 و UM2300) تا تقریباً 1MHz برای نازک ترین دیودها (سری UM6200 و UM7200) گسترگی دارد.
دیود PIN در بایاس معکوس
در فرکانسهای RF بالا وقتی که یک دیود PIN در بایاس صفر یا معکوس است مانند یک خازن با صفحات موازی ظاهر می شود که ضرورتاً مستقل از ولتاژ بایاس معکوس به صورت زیر بدست می آید(رابطه ی 5):
پائین ترین فرکانسهائی که این اثر شروع به نمایان شدن می کند واب
سته به فرکانس آسایش دی الکتریک ناحیه-I است که ممکن است توسط رابطه ای مانند زیر محاسبه شود(رابطه ی 6):
برای نمونه، فرکانس آسایش دی الکتریک زیر 20MHz رخ می دهد و خازن بسته ای کل CT در اکثر دیودها در بایاس صفر در 100MHz مشخص می شود