पिन डायोड

पिन डायोड की परतें

पिन डायोड एक पी (P)-टाइप अर्धचालक और एन (N)-प्रकार सेमीकंडक्टर क्षेत्र के बीच एक विस्तृत अनडोप्ड इंट्रिंसिक अर्धचालक क्षेत्र के साथ एक डायोड है। पी (P)-प्रकार और एन (N)-प्रकार के क्षेत्र आमतौर पर भारी डोप किए जाते हैं क्योंकि वे ओमिक संपर्कों के लिए उपयोग किए जाते हैं।

विस्तृत आंतरिक क्षेत्र एक साधारण पी-एन (P-N) डायोड के विपरीत है। विस्तृत आंतरिक क्षेत्र पिन डायोड को एक अवर रेक्टिफायर (एक डायोड का एक विशिष्ट कार्य) बनाता है लेकिन यह इसे क्षीणता (एटेन्यूएटर्स), फास्ट स्विच, प्रकाश संसूचक (फोटोडेटेक्टर्स) और उच्च-वोल्टेज विद्युत इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है।

पिन फोटोडायोड का आविष्कार जून-इची निशिजावा और उनके सहयोगियों द्वारा 1950 में किया गया था। यह एक अर्धचालक उपकरण है।

ऑपरेशन

पिन डायोड उच्च-स्तरीय सूचिकाभरण (इंजेक्शन) के रूप में जाना जाता है। दूसरे शब्दों में आंतरिक क्षेत्र पी (P) और एन (N) क्षेत्रों से चार्ज वाहक के जैसे कार्य करते हैंI इसके कार्य की तुलना साइड पर एक छेद के साथ पानी की बाल्टी को भरने के लिए की जा सकती है। एक बार जब पानी छिद्र के स्तर तक पहुंच जाता है तो यह बाहर निष्कासित करना प्रारम्भ कर देगा। इसी तरह डायोड इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को एक संतुलन बिंदु तक पहुंचाने के बाद वर्तमान प्रतिक्रिया का संचालन करेगाI जहां इलेक्ट्रॉनों की संख्या आंतरिक क्षेत्र में छिद्रों की संख्या के बराबर है। जब डायोड पी-एन डायोड अग्र अभिनत (फॉरवर्ड बायस) होता है। अग्र अभिनत (फॉरवर्ड बायस) इंजेक्टेड वाहक आमतौर पर आंतरिक वाहक एकाग्रता की तुलना में अधिक परिमाण के आदेशों पर कार्य करते हैं I यह विद्युत क्षेत्र पी से एन क्षेत्र तक चार्ज वाहक के परिवहन को तीव्र गति से संचालित करने में मदद करता है I जिसके परिणामस्वरूप डायोड का तेजी से संचालन होता है जिससे यह उच्च-आवृत्ति संचालन के लिए एक उपयुक्त उपकरण बन जाता है।

विशेषताएँ

पिन डायोड कम-आवृत्ति संकेतों के लिए मानक डायोड के लिए उचित समीकरण के अनुसार संचालित होते हैं । उच्च आवृत्तियों पर डायोड लगभग रैखिक यहां तक कि बड़े संकेतों के लिए गतिरोध उत्पन्न करने जैसे उपकरण की तरह नजर आता है । पिन डायोड में मोटी आंतरिक क्षेत्र में अपेक्षाकृत बड़ा संग्रहीत चार्ज होता है। कम-पर्याप्त आवृत्ति पर संग्रहीत चार्ज पूरी तरह से प्रवाह होता है जिसके चलते डायोड बंद हो जाता है। उच्च आवृत्तियों पर बहाव क्षेत्र से चार्ज की तरफ संचारित होते समय स्वीप करने के लिए पर्याप्त समय नहीं होता इसलिए डायोड कभी बंद नहीं होता है। डायोड जंक्शन से संग्रहीत चार्ज को स्वीप करने के लिए लगने वाला आवश्यक समय रिवर्स रिकवरी प्रोग्राम पर केंद्रित होता हैI रिवर्स रिकवरी टाइम पिन डायोड में अपेक्षाकृत लंबा है। किसी दिए गए अर्धचालक सामग्री , ऑन-स्टेट प्रतिबाधा, और न्यूनतम प्रयोग करने योग्य आरएफ आवृत्ति के लिए रिवर्स रिकवरी समय तय किया गया है। पी-आई-एन (P-I-N) डायोड की एक किस्म, स्टेप रिकवरी डायोड, उच्च गुणकों के साथ आवृत्ति गुणा के लिए उपयोगी एक संकीर्ण आवेग तरंग बनाने के लिए रिवर्स रिकवरी के अंत में अचानक प्रतिबाधा परिवर्तन का उपयोग करती है।

उच्च-आवृत्ति प्रतिरोध डायोड के माध्यम से डीसी पूर्वाग्रह वर्तमान के विपरीत आनुपातिक है।पिन डायोड उपयुक्त रूप से झुका हुआ होता है I डायोड चर अवरोधक के रूप में कार्य करता हैI यह उच्च-आवृत्ति प्रतिरोध विस्तृत श्रृंखला से भिन्न होता हैI

पिन डायोड में रिक्तिकरण क्षेत्र लगभग पूरी तरह से आंतरिक क्षेत्र के भीतर मौजूद है। यह क्षेत्र p-i-n डायोड की तुलना में बहुत बड़ा है और लगभग निरंतर आकार, डायोड पर लागू रिवर्स पूर्वाग्रह से स्वतंत्र होता है। यह उस मात्रा को बढ़ाता है जहां इलेक्ट्रॉन-होल के युग्म फोटॉन द्वारा उत्पन्न किए जा सकते हैं। कुछ फोटोडेटेक्टर डिवाइस जैसे कि पिन फोटोडायोड्स और फोटोट्रांसिस्टर्स (जिसमें बेस-कलेक्टर जंक्शन एक पिन डायोड है) के निर्माण में पिन जंक्शन का उपयोग करते हैं ।

डायोड डिज़ाइन में कुछ डिज़ाइन ट्रेड-ऑफ हैं। आंतरिक क्षेत्र के क्षेत्र को बढ़ाने से इसका संग्रहीत चार्ज बढ़ जाता है जो अपने आरएफ ऑन-स्टेट प्रतिरोध को कम करता हैI जबकि रिवर्स बायस कैपेसिटेंस को बढ़ाता है और निश्चित स्विचिंग समय के दौरान चार्ज को हटाने के लिए आवश्यक ड्राइव करंट को बढ़ाता हैI जिसमें न्यूनतम समय पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है I आंतरिक क्षेत्र की मोटाई में वृद्धि से कुल संग्रहीत चार्ज की वृद्धि होती है I यह प्रक्रिया डायोड के न्यूनतम आरएफ आवृत्ति में कमी लाती है और रिवर्स-बायस कैपेसिटेंस को कम कर देता हैI फॉरवर्ड-बायस आरएफ प्रतिरोध को कम नहीं करता है और बहाव चार्ज को स्वीप करने के लिए आवश्यक न्यूनतम समय बढ़ाता हैI कम से उच्च आरएफ (RF) प्रतिरोध में किसी अन्य संचार को अवरोधित करता है I विशिष्ट आरएफ बैंड और उपयोगों के लिए विभिन्न प्रकार के ज्यामिति में डायोड को व्यावसायिक रूप से बेचा जाता है।

अनुप्रयोग

पिन डायोड आरएफ स्विच (RF Switch), क्षीणता (एटेन्यूएटर्स), प्रकाश संसूचक (फोटोडेटेक्टर्स) और चरण शिफ्टर्स के रूप में उपयोगी हैं।^[1]

आरएफ और माइक्रोवेव स्विच

पिन डायोड आरएफ माइक्रोवेव स्विच

शून्य- या रिवर्स-बायस (ऑफ स्टेट) के तहत पिन डायोड में कम कैपेसिटेंस होता है।कम कैपेसिटेंस आरएफ संकेत (सिग्नल) के ज्यादा करीब होता हैI विशिष्ट पिन डायोड 1 ohm आरएफ (RF) प्रतिरोध होगाI यह आरएफ का एक अच्छा कंडक्टर का निर्माण करता है। नतीजतन पिन डायोड अच्छा आरएफ स्विच है।

हालांकि आरएफ रिले को स्विच के रूप में उपयोग किया जा सकता हैI वे अपेक्षाकृत धीरे -धीरे दस सेकंड के मिलीसेकंड में स्विच करते हैंI पिन डायोड स्विच अधिक तेज़ी से स्विच कर सकता हैI जैसे 1 माइक्रोसेकंड (microsecond) हालांकि कम आरएफ (RF) आवृत्तियों पर आरएफ अवधि के समान परिमाण के क्रम में स्विचिंग समय की उम्मीद करना उचित नहीं है।

उदाहरण के लिए एक ऑफ -स्टेट असतत पिन डायोड की का आकलन रखती हैI 1 pF पर 320 MHz की कैपेसिटिव रिएक्शन 1 pF है जो 497 ohms के बराबर होती है I

{\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}}

एक श्रृंखला तत्व के रूप में एक में 50 ohm सिस्टम, ऑफ-स्टेट क्षीणन है:

{\begin{aligned}A&=20\log _{10}\left({\frac {Z_{\mathrm {load} }}{Z_{\mathrm {source} }+Z_{\mathrm {diode} }+Z_{\mathrm {load} }}}\right)\\&=20\log _{10}\left({\frac {50\,\Omega }{50\,\Omega +497\,\Omega +50\,\Omega }}\right)\\&={21.5}\,\mathrm {dB} \end{aligned}}

यह क्षीणन पर्याप्त नहीं हो सकता है। उन अनुप्रयोगों में जहां उच्च पृथक्रकरण की आवश्यकता होती हैI दोनों शंट और श्रृंखला तत्वों का उपयोग किया जा सकता हैI शंट तत्वों को जोड़ने से स्रोत को प्रभावी ढंग से कम कर दिया जाता हैI प्रतिबाधा अनुपात को कम करता हैI प्रतिबाधा अनुपात को कम करती है और ऑफ-स्टेट क्षीणन को बढ़ाता है। हालांकि अतिरिक्त जटिलता के अलावा ऑन-स्टेट क्षीणन को ऑन-स्टेट ब्लॉकिंग तत्व की श्रृंखला प्रतिरोध और ऑफ-स्टेट शंट तत्वों की गुंजाइश के कारण बढ़ाया जाता है।

पिन डायोड स्विच का उपयोग न केवल संकेत (सिग्नल) चयन के लिए किया जाता है बल्कि घटक चयन के लिए भी किया जाता है।उदाहरण के लिए कुछ कम-चरण-शोर ऑसिलेटर उन्हें रेंज-स्विच इंडक्टर्स के लिए उपयोग करते हैं।^[2]

आरएफ और माइक्रोवेव चर क्षीणता

आरएफ माइक्रोवेव पिन डायोड एटेन्यूएटर

पिन डायोड के माध्यम से पूर्वाग्रह वर्तमान को बदलकर अपने आरएफ प्रतिरोध को जल्दी से परिवर्तित करना सम्भव है।

उच्च आवृत्तियों पर पिन डायोड एक अवरोधक के रूप में प्रकट होता है जिसका प्रतिरोध इसके आगे वर्तमान का एक उलटा कार्य है।नतीजतनपिन डायोड का उपयोग कुछ चर क्षीणता डिजाइनों में आयाम मॉड्यूलेटर या आउटपुट लेवलिंग सर्किट के रूप में किया जा सकता है।

पिन डायोड का उपयोग किस तरह से किया जा सकता है कुछ उदाहरणों के द्वारा प्रस्तुत किया जा सकता हैI उदाहरण के लिए ब्रिज-टी क्षीणता (एटेन्यूएटर)में पुल और शंट प्रतिरोधों के रूप में कार्य करते हैंI अन्य सामान्य दृष्टिकोण पिन डायोड का उपयोग 0 डिग्री और एक चतुर्भुज हाइब्रिड के -90 डिग्री पोर्ट से जुड़े टर्मिनेशन के रूप में है। क्षीण होने के लिए संकेत (सिग्नल) इनपुट पोर्ट पर लागू होता हैI ब्रिज्ड -T और PI दृष्टिकोणों पर इस दृष्टिकोण के कई फायदे नजर आते हैं I (1) पूरक पिन डायोड में पूर्वाग्रह ड्राइव की आवश्यकता नहीं होतीI समान पूर्वाग्रह दोनों डायोड पर लागू होते हैंI (2) क्षीणता (एटेन्यूएटर) में अंतभाग जो विस्तृत श्रृंखला के रूप में विकसित बहुत विस्तृत श्रृंखला में विविध हो सकते हैं।

सीमाएँ

पिन डायोड को कभी-कभी उच्च-आवृत्ति परीक्षण जांच और अन्य सर्किट के लिए इनपुट सुरक्षा उपकरणों के रूप में उपयोग के किया जाता है। यदि इनपुट संकेत छोटा है तो पिन डायोड का नगण्य प्रभाव पड़ता है I रेक्टिफायर डायोड के विपरीत आरएफ आवृत्तियों पर नॉन लीनियर प्रतिरोध प्रस्तुत नहीं करता है जो हार्मोनिक्स और इंटरमॉड्यूलेशन उत्पादों को प्रभावित करता है I यदि संकेत बड़ा है तो पिन डायोड इसको ठीक करना शुरू कर देता है एवं फॉरवर्ड करंट ड्रिफ्ट क्षेत्र को चार्ज करता हैI डिवाइस आरएफ प्रतिबाधा संकेत आयाम के विपरीत एक आनुपातिक प्रतिरोध है। संकेत मिलने के बाद कुछ आयामों का उपयोग पूर्व निर्धारित भाग को समाप्त करने के लिए किया जा सकता हैI जो ऊर्जा को विघटित करने वाले प्रतिरोधक नेटवर्क में संकेत भेजता है I उत्तरार्द्ध हिस्से को पृथक्कारक तत्व के साथ जोड़ा जा सकता हैI डिवाइस जिसमें एक सर्कुलेटर होता है जो पारस्परिकता को तोड़ने के लिए एक स्थायी चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करता हैI शंट लिमिटर के रूप में उपयोग किया जाता है तो पिन डायोड पूरे आरएफ चक्र पर एक कम प्रतिबाधा की ओर संचारित होता हैI युग्मित रेक्टिफायर डायोड के विपरीत जो प्रत्येक आरएफ चक्र के दौरान उच्च प्रतिरोध से कम प्रतिरोध की तरफ स्विंग करता है I जो तरंग को क्लैम्पिंग करता है और इसे पूरी तरह से नहीं दर्शाता है। गैस अणुओं का आयनीकरण वसूली समय जो उच्च शक्ति स्पार्क गैप इनपुट सुरक्षा उपकरण के निर्माण की अनुमति देता हैI अंततः एक गैस में समान भौतिकी पर निर्भर करता है।

फोटोडेटेक्टर और फोटोवोल्टिक सेल

पिन फोटोडायोड का आविष्कार जून-इची निशिजावा और उनके सहयोगियों द्वारा 1950 में किया गया था।^[3]

पिन फोटोडायोड का उपयोग फाइबर ऑप्टिक नेटवर्क कार्ड और स्विच में किया जाता है। फोटोडेटेक्टर के रूप में पिन डायोड रिवर्स-बायस्ड रूप में संचारित होते हैं। डायोड रिवर्स बायस के अनुसार व्यवहार नहीं करता I पर्याप्त ऊर्जा से युक्त फोटॉन डायोड क्षेत्र में प्रवेश करता है और क्रिया करके इलेक्ट्रॉन-होल युग्म का निर्माण करता है।

एक ही तंत्र एक सौर सेल के पिन संरचना, या p-i-n जंक्शन पर लागू होता है। इस मामले में पारंपरिक अर्धचालक p-i-n जंक्शन पर एक पिन संरचना का उपयोग करने का लाभ पूर्व की बेहतर लंबी-तरंग दैर्ध्य प्रतिक्रिया है। लंबी तरंग दैर्ध्य विकिरण के मामले में फोटॉन सेल में गहराई से प्रवेश करते हैं। केवल उन इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े जो घटते क्षेत्र में और निकट उत्पन्न होते हैं जो वर्तमान पी (P) में योगदान करते हैं।

वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध PIN फोटोडायोड्स में टेलीकॉम तरंग दैर्ध्य रेंज (~1500 नैनोमीटर) में 80-90% से ऊपर की मात्रा में मात्रा होती है Iआमतौर पर जर्मेनियम या इंगास से बने होते हैं। वे तेजी से प्रतिक्रिया समय अपने PIN समकक्षों की तुलना में अधिक) की सुविधा देते हैंI उच्च गति ऑप्टिकल दूरसंचार अनुप्रयोगों के लिए आदर्श रूप प्रदान करते हैंI इसी तरह सिलिकॉन PIN फोटोडायोड्स^[4] यहां तक कि उच्च क्वांटम क्षमताएं हैंI सिलिकॉन के बैंडगैप के नीचे तरंग दैर्ध्य का पता लगा सकते हैंI

आमतौर पर, अनाकार सिलिकॉन पतली-फिल्म सौर सेल जैसी पिन संरचनाओं का उपयोग करती हैं। दूसरी ओर सीडीटीई कोशिकाएं NIP संरचना का उपयोग करती हैंI NIP संरचना में आंतरिक CdTe परत एन n-doped CdS और p-doped ZnTe द्वारा संचारित किया जाता हैI

एक पिन फोटोडायोड एक्स-रे और गामा रे फोटॉन का भी पता लगा सकता है।

आधुनिक फाइबर-ऑप्टिकल संचार में ऑप्टिकल ट्रांसमीटर और रिसीवर की गति सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों में से एक है।फोटोडायोड की छोटी सतह के कारण अवांछित क्षमता कम हो जाती है।

उदाहरण पिन फोटोडायोड्स

SFH203 और BPW34 सस्ते सामान्य उद्देश्य पिन डायोड हैं।

यह भी देखें

फाइबर ऑप्टिक केबल
इंटरकनेक्ट अड़चन
ऑप्टिकल संचार
ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट
समानांतर ऑप्टिकल इंटरफ़ेस
स्टेप रिकवरी डायोड

संदर्भ

↑ https://srmsc.org/pdf/004430p0.pdf (transcript version: http://www.alternatewars.com/WW3/WW3_Documents/ABM_Bell/ABM_Ch8.htm)
↑ "Microwave Switches: Application Notes". Herley General Microwave. Archived from the original on 2013-10-30.{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)
↑ Dummer, G. W. A. (22 October 2013). Electronic Inventions and Discoveries: Electronics from Its Earliest Beginnings to the Present Day. Elsevier. ISBN 9781483145211. Retrieved 14 April 2018 – via Google Books.
↑ "Si photodiodes | Hamamatsu Photonics". hamamatsu.com. Retrieved 2021-03-26.

बाहरी संबंध

The p-i-n Diode Designers' Handbook
p-i-n Limiter Diodes in Receiver Protectors, Skyworks application note

[1] ttps://srmsc.org/pdf/004430p0.pdf (transcript version: http://www.alternatewars.com/WW3/WW3_Documents/ABM_Bell/ABM_Ch8.htm)

[2] "Microwave Switches: Application Notes". Herley General Microwave. Archived from the original on 2013-10-30.{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)

[3] Dummer, G. W. A. (22 October 2013). Electronic Inventions and Discoveries: Electronics from Its Earliest Beginnings to the Present Day. Elsevier. ISBN 9781483145211. Retrieved 14 April 2018 – via Google Books.

[4] "Si photodiodes | Hamamatsu Photonics". hamamatsu.com. Retrieved 2021-03-26.

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