pin-Diode

Schema einer pin-Diode

Die pin-Diode (englisch positive intrinsic negative diode) ist ein elektrisches Bauelement. Der Aufbau ist ähnlich einer pn-Diode, mit dem entscheidenden Unterschied, dass sich zwischen der p- und n-dotierten Schicht eine zusätzliche schwach oder undotierte Schicht befindet. Diese Schicht besitzt somit lediglich intrinsische Leitfähigkeit (eigenleitend) und wird daher i-Schicht genannt. Die p- und n-Schicht sind somit nicht in direktem Kontakt, und bei Anlegen einer Sperrspannung kommt es zur Ausbildung einer größeren Raumladungszone als bei der klassischen pn-Diode. Da die i-Schicht nur wenige freie Ladungsträger enthält, ist sie hochohmig.

Die pin-Diode wird auch psn-Diode (s für schwach dotiert) oder Leistungsdiode (auf Grund der Anwendung in der Leistungselektronik) genannt.

Aufbau

Eine pin-Diode besteht im Wesentlichen aus einem schwach n-leitendem Silizium-Grundmaterial (Substrat), welches auf der einen Seite mit einer starken p- und auf der anderen Seite mit einer starken n-Dotierung versehen ist (möglich ist auch die Verwendung schwach p-dotierter Substrate, aber n-Material ist meist in höherer Reinheit erhältlich).

Die Dotierung kann wahlfrei durch Diffusionsprozesse, Epitaxie oder Ionenimplantation erreicht werden. Zur Kontaktierung werden auf beiden hochdotierten Bereichen Metallschichten aufgebracht, dabei entsteht ein ohmscher Kontakt. Als Metallisierungsmaterial findet häufig Aluminium Verwendung.

Funktion

Wird die pin-Diode positiv vorgespannt, so werden von der p-Schicht Löcher und von der n-Schicht Elektronen in die i-Schicht injiziert. Die Lebensdauer $\tau$ der Ladungsträger ist in der undotierten i-Schicht besonders hoch ($\tau$ ≈ 0,05…5 μs für Silizium). Daher bleibt die pin-Diode auch dann leitend, wenn nur kurze Spannungsimpulse mit einer Impulsdauer von $t_{\rm {P}}\ll \tau$ anliegen. Betreibt man die pin-Diode in Sperrrichtung, ergibt sich zwischen der p- und der i-Zone eine an Ladungsträgern verarmte Raumladungszone. Die Tiefe $z_{\mathrm {d} }$ dieser Zone ist bei gegebener Sperrspannung $U_{\mathrm {bias} }$ durch folgende Gleichung gegeben (siehe auch unter pn-Übergang):

$z_{\mathrm {d} }={\sqrt {{\frac {2\varepsilon _{0}\varepsilon _{\mathrm {r} }U_{\mathrm {bias} }}{e}}\left({\frac {N_{\mathrm {A} }+N_{\mathrm {D} }}{N_{\mathrm {A} }N_{\mathrm {D} }}}\right)}}\approx {\sqrt {\frac {2\varepsilon _{0}\varepsilon _{\mathrm {r} }U_{\mathrm {bias} }}{e\,N_{\mathrm {D} }}}}$

Dabei ist ε₀ die elektrische Feldkonstante, ε_r die Dielektrizitätszahl und e die Elementarladung. Die Näherung auf der rechten Seite gilt für den Fall der pin-Diode, da die Akzeptorkonzentration $N_{\mathrm {A} }$ in der p-Dotierung sehr viel größer ist als die Donatorkonzentration $N_{\mathrm {D} }$ in der n-Dotierung der i-Schicht ($N_{\mathrm {D} }$ des Substrats liegt typischerweise bei 10¹²–10¹⁴ cm⁻³ und $N_{\mathrm {A} }$ der p-Dotierung bei 10¹⁸–10²⁰ cm⁻³).

Im Gleichstrombetrieb funktioniert die pin-Diode ähnlich wie eine normale Halbleiterdiode, nur bei höheren Frequenzen macht sich die hohe Anzahl der in der i-Schicht gespeicherten Ladungsträger bemerkbar. Für Wechselstrom besitzt die pin-Diode bis zur Grenzfrequenz $f_{\rm {c}}$ (abhängig vom Datenblattwert $\tau$) Gleichrichtereigenschaften.

$f_{\mathrm {c} }={\frac {1}{2\pi \tau }}$

Oberhalb von $10f_{\rm {c}}$ verhält sie sich wie ein ohmscher Widerstand, der umgekehrt proportional zum mittleren Strom ${\overline {I}}_{\rm {D,{pin}}}$ durch die Diode ist.

$r_{\rm {D,{pin}}}\approx {\frac {n\cdot U_{T}}{{\overline {I}}_{\rm {D,{pin}}}}}$, mit der Temperaturspannung: $U_{T}={\frac {k\,T}{e}}$ und n ≈ 1…2. (Begrenzt durch den Kontaktwiderstand sind minimal ca. 0,8–8 Ω erreichbar.)

Wird der Steuerstrom zu klein, wird durch einen zu großen, überlagerten Wechselstrom die gespeicherte Ladung ausgeräumt und die PIN-Diode verhält sich dann ebenfalls nicht mehr wie ein ohmscher Widerstand. Es treten dann große Verzerrungen und Intermodulationseffekte auf.

Raumladungsverteilung in einer negativ vorgespannten pin-Diode (oben) und dazugehörige elektrische Feldstärkeverteilung (unten).

Die Kapazität von negativ vorgespannten pin-Dioden hat das gleiche Verhalten wie bei einer Kapazitätsdiode.

$C=\varepsilon _{\mathrm {r} }\varepsilon _{0}{\frac {A}{d}}$

Anwendung

pin-Dioden finden hauptsächlich in der Hochfrequenztechnik als gleichstromgesteuerte Widerstände (Dämpfungsglieder oder Amplitudenregler) oder gleichspannungsgesteuerte HF-Schalter Verwendung. Auf Grund der vorhandenen i-Schicht erzielt man in der Leistungselektronik bei Spannungen über 1 kV ein besseres Durchlassverhalten und durch die breite Raumladungszone eine um den Faktor 5 höhere Spannungsfestigkeit als bei pn-Dioden, weshalb sie als Gleichrichter- und Freilaufdioden für hohe Spannungen und Ströme eingesetzt werden. Als Photodioden werden sie zur Strahlungsmessung und als Empfänger in der Lichtwellenleiter(LWL)-Übertragungstechnik eingesetzt.

Gleichstromgesteuerter Widerstand

Durch das Verhalten als stromgesteuerter Widerstand kann man eine pin-Diode als gesteuerten Spannungsteiler oder Dämpfungsglieder mit mehreren Dioden einsetzen. Letzteres erlaubt eine Signalabschwächung bei annähernd konstanter Anpassung an den Wellenwiderstand vorzunehmen.

Zudem haben pin-Dioden aufgrund der relativ dicken i-Zone eine geringe Sperrschichtkapazität. Dadurch kann man diese, vorzugsweise bei Hochfrequenz einsetzen, wobei bei ${\overline {I}}_{\rm {D,{pin}}}=0$ trotzdem noch eine starke Sperrdämpfung entsteht.

• 
  Spannungsteiler für Wechselspannungen mit pin-Diode.
• 
  Schaltung eines π-Dämpfungsglieds.

Photodiode

Absorption von Photonen in der intrinsischen Schicht (Raumladungszone) und Erzeugung von Ladungsträgerpaaren. Für Photonen mit geringerer Energie als der Bandlücke (E<E_g) wird das Material transparent.

Photodiode BPW-34

Die pin-Photodiode und die Avalanche-Photodiode werden vorwiegend in der Optoelektronik für die optische Signalübertragung in der Nachrichtentechnik eingesetzt. Die pin-Photodiode stellt dabei den wichtigsten Detektor für LWL-Anwendungen dar. Pin-Photodioden sind aufgrund der dicken i-Schicht temperaturstabiler und kostengünstiger, aber wegen der fehlenden internen Verstärkung weniger empfindlich als die Avalanche-Photodioden. Spitzenwerte für die Empfindlichkeit für Si-pin-Dioden liegen im Maximum bei 850 nm zwischen −40 dBm (25 Mib s⁻¹) und −55 dBm (2 Mib s⁻¹). Für Wellenlängen oberhalb 1000 nm kommen Materialien wie Germanium (Ge), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Indium-Galliumarsenid-Phosphid (InGaAsP) zum Einsatz, wobei InGaAs die größte Grenzwellenlänge von 1600 nm besitzt.

In einem Position Sensitive Device nutzt man den lateralen Photoeffekt einer flächigen pin-Diode mit mehreren Elektroden zur Lokalisierung eines Lichtflecks auf der Diode.

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, 2002, ISBN 3-540-42849-6.

Weblinks

• Vom Dioden-Schalter zum elektronischen UKW-Antennenumschalter. Elektronik-Kompendium (Diode und Hochfrequenzschalter).
• W. E. Doherty, Jr., R. D. Joos: The PIN Diode Circuit Designers’ Handbook. (Memento vom 1. Mai 2015 im Internet Archive; PDF; 1,26 MB) Microsemi, Watertown 1998 (englisch).