Diodo PIN

Sabemos que hay diferentes tipos de diodos que se utilizan en diferentes aplicaciones según los requisitos, como el diodo Varactor, el diodo Schottky, el LED, el diodo Zener, etc. Sin embargo, el diodo más popular, que incluye una unión PN básica, también se utiliza en diferentes circuitos y se denomina diodo PIN. En comparación con un diodo de unión PN normal, este tipo de diodo es diferente porque incluye tres capas como P, I y N mientras que el diodo de unión PN incluye dos capas como P y N.

En este diodo, hay un material semiconductor puro entre las dos capas P y N que es «I» (material intrínseco de Si o Ge). En este caso, las dos capas P y N están extremadamente dopadas para funcionar como un contacto óhmico, mientras que la capa intrínseca «I» funciona como un aislante, por lo que no hay flujo de corriente a través de ella. Por lo tanto, la estructura del PIN es muy útil en la conmutación de RF y en los fotodiodos.

¿Qué es un Diodo PIN?

El diodo PIN es un tipo de fotodetector que se utiliza para convertir la señal óptica en una señal eléctrica. La denominación completa del diodo PIN es, Positivo-Intrínseco-Negativo. El diodo PIN puede definirse como un diodo en el que la capa intrínseca ‘I’ de alta resistividad está situada entre las dos capas de material semiconductor como P y N. Normalmente, las regiones P y N están muy dopadas porque se utilizan como contactos óhmicos. Entre estas dos regiones, la región intrínseca proporciona un alto campo eléctrico que induce el movimiento de portadores de carga como electrones y huecos. Aquí, la dirección del campo eléctrico será de la región N a la P.

Entonces un diodo PIN se puede definir como: Un diodo con una región semiconductora intrínseca amplia y no dopada entre una región semiconductora de tipo p y otra de tipo n.

El alto campo eléctrico producirá enormes pares de agujeros de electrones porque el diodo procesará incluso las señales más pequeñas. Este diodo es un tipo de fotodetector que se utiliza para cambiar la energía de la luz a la eléctrica.

La capa intrínseca entre las regiones de tipo P y N aumenta la distancia entre ellas. Si la distancia entre las dos capas aumenta, entonces su capacitancia disminuirá. Esta característica del diodo PIN aumentará su tiempo de respuesta para que pueda ser utilizado en aplicaciones de microondas.

Símbolo del Diodo PIN

El ánodo y el cátodo son los dos terminales del diodo PIN. El ánodo es el terminal positivo y el cátodo representa sus terminales negativos. El símbolo del diodo PIN se muestra en la siguiente figura.

En palabras sencillas,

Un diodo PIN es un tipo de diodo que tiene una sección semiconductora intrínseca no dopada situada entre dos secciones denominadas semiconductor de tipo p y semiconductor de tipo n.

Símbolo del Fotodiodo PIN

La representación simbólica del fotodiodo PIN es la misma que la del diodo de unión p-n estándar, excepto por las flechas hacia abajo sobre el diodo, que indican la luz.

Construcción del Diodo PIN

A continuación se muestra la construcción de un diodo PIN. Este diodo incluye tres capas compuestas por la región P, una región intrínseca y una región N. Aquí, la formación de la región P puede hacerse mediante el dopaje de impurezas trivalentes hacia el semiconductor. La región n puede formarse mediante el dopaje de impurezas pentavalentes hacia el material semiconductor. En este caso, la región semiconductora intrínseca no es un material dopado.

En la siguiente figura podemos ver la estructura del diodo PIN:

La construcción del diodo PIN puede realizarse mediante dos estructuras diferentes: la estructura Planar o la estructura Mesa.

En una estructura planar, se impone una capa epitaxial estrecha (fina) sobre la región intrínseca para formar una región P+. Del mismo modo, también se crea una región N+ en otro lado del sustrato. La región intrínseca ofrece una resistividad muy alta de 0.1 Ω-m.

En una estructura mesa, las capas semiconductoras previamente dopadas se desarrollan (crecen) en la región intrínseca. De este modo se genera un diodo PIN.

Estructura y funcionamiento de un diodo PIN

Un diodo PIN, abreviatura de diodo Positivo-Intrínseco-Negativo, tiene forma de semiconductor de 3 capas. Las capas son:

• Capa de tipo P (positivo): La capa superior del diodo es el material semiconductor de tipo p, que está definitivamente dopado con impurezas. Esta capa es responsable del terminal fino del diodo.
• Capa intrínseca: Situada en el centro, la capa intrínseca es una región semiconductora no dopada o ligeramente dopada. Es esencial para el funcionamiento del diodo, ya que actúa como una resistencia variable en respuesta a una tensión exterior.
• Capa de tipo N (negativa): La capa posterior es el material semiconductor de tipo n, dopado negativamente con impurezas. Esta capa empapela el terminal negativo del diodo.

Principio de funcionamiento del diodo PIN

El precepto de funcionamiento de un diodo PIN gira en torno a su forma semiconductora de tres capas, que comprende una capa de tipo p (de alta calidad), una intrínseca (no dopada o ligeramente dopada) y otra de tipo n (negativa). La capa intrínseca, vital para su funcionamiento, actúa como una resistencia variable en respuesta a un voltaje implementado.

Bajo polarización directa, en la que se implementa una tensión de alta calidad al tipo p y una tensión terrible al tipo n, se inyectan proveedores (electrones y huecos) en la capa intrínseca, reduciendo la anchura de la región de agotamiento y mejorando la conductividad del diodo. Este estado permite al diodo PIN funcionar como un interruptor de baja resistencia.

Por el contrario, por debajo de la polarización inversa, con una tensión efectiva llevada al tipo n y una tensión pobre al tipo p, la zona de agotamiento se ensancha. Este ensanchamiento disminuye la conductividad del diodo, lo que hace que se comporte como una transferencia de alta resistencia, restringiendo la corriente actual.

El potencial del diodo PIN para transicionar entre esos estados bajo situaciones de polarización variables es esencial para su funcionamiento. Esta modulación de la conductividad de la capa intrínseca a través del software de voltaje externo hace que los diodos PIN sean ideales para paquetes que requieren una gestión dinámica de la resistencia, incluidos la conmutación de RF y los atenuadores variables en electrónica.

Características del Diodo PIN

• Baja Capacitancia: Como ya hemos comentado un diodo PIN ofrece un menor valor de capacitancia debido a la mayor distancia entre la región p y n. Cuando se aplica un pequeño potencial inverso, la región de agotamiento se agota totalmente. A medida que la región de agotamiento se agota, la capacitancia no mostrará variación con el potencial aplicado. Debido a la presencia de una pequeña cantidad de carga en la región intrínseca.
• Alta tensión de ruptura: Debido a la presencia de la región intrínseca, el diodo PIN presenta un valor más alto de tensión de ruptura. Esto es así porque se requiere una tensión más alta para destruir la gruesa región de agotamiento.
• Sensible a la fotodetección: La región de agotamiento es la encargada de generar energía cuando la radiación incide sobre su superficie. La existencia de una región intrínseca aumenta el área de absorción de la radiación. De ahí que se utilicen ampliamente como fotodetectores.
• Almacenamiento de portadores: Esta es la característica más importante del diodo PIN. La región intrínseca aumenta el área de almacenamiento de portadores. La carga almacenada en la región de agotamiento es responsable de la cantidad de corriente que fluye a través del circuito. Cuando se proporciona una polarización directa al dispositivo, entonces, en este caso, el dispositivo exhibe características de resistencia variable. Por lo tanto, no produce distorsión ni rectificación.

Ventajas del Diodo PIN

• Tiene una alta sensibilidad a la luz.
• La velocidad de respuesta es alta.
• Su ancho de banda es amplio.
• El coste de implementación es bajo.
• Genera poco ruido.
• Funcionamiento lineal
• La sensibilidad a la temperatura es baja.
• Su tamaño es reducido.
• La longevidad es mejor que la de los diodos estándar.
• Se aceptan altas tensiones inversas.
• La región de agotamiento es grande.
• Se utiliza como dispositivo de resistencia variable.
• La tensión de polarización es menor.
• La capacitancia de unión es baja.

Desventajas del Diodo PIN

• Sólo puede funcionar en condiciones de polarización inversa.
• La tensión aplicada debe ser baja.
• Es sensible a cualquier tipo de luz.
• Hay que mantener las especificaciones de temperatura.
• Pequeña área activa
• El tiempo de recuperación inversa es alto debido a la pérdida de energía
• Requiere amplificación a bajo nivel de iluminación.

Aplicaciones del Diodo PIN

El diodo PIN tiene una amplia gama de aplicaciones en diversos campos de la física, como conmutador de radiofrecuencia, conmutador de microondas, atenuador de radiofrecuencia, atenuador de microondas, fotodetector, etc. A continuación se indican algunas aplicaciones:

• Conmutador de Radiofrecuencia (RF): Los diodos PIN se utilizan mucho en paquetes de conmutación de radiofrecuencia (RF). Su rápida velocidad de conmutación y su baja pérdida de inserción los hacen ideales para circuitos de alta frecuencia en los que la conmutación eficiente y particular es crítica. Los diodos PIN se utilizan en conmutadores de radiofrecuencia para sistemas de conversación, radares y otras tecnologías inalámbricas.
• Atenuadores controlados por tensión: Los rasgos estructurados por tensión de los diodos PIN los hacen apropiados para atenuadores controlados por tensión. En las estructuras de conversación, estos aparatos son contratados para controlar los grados de señal, teniendo en cuenta el ajuste dinámico y la modulación de la fuerza de la señal basada principalmente en la tensión llevada a cabo.
• Fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS): Los diodos PIN desempeñan una función vital en las fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS) al contribuir a la conmutación ecológica de la potencia en convertidores e inversores. Su capacidad para manejar frecuencias altas y proporcionar tiempos de reacción rápidos mejora el rendimiento general y el rendimiento de los sistemas SMPS.
• Desfasadores de RF: En los desfasadores de RF, los diodos PIN se utilizan para modificar la sección de las señales. Esto es vital en sistemas de conversación, radar y otros paquetes en los que es importante una gestión precisa del desplazamiento de la sección. Los diodos PIN permiten realizar ajustes rápidos y correctos dentro del segmento de las señales de RF.
• Atenuadores de RF variables: Los diodos PIN se emplean en atenuadores de radiofrecuencia (RF) variables, teniendo en cuenta el ajuste controlado de la energía de la señal. Estos atenuadores son útiles en aplicaciones donde los niveles de señal deben controlarse con precisión, así como en sistemas de observación y medición, estructuras de comunicación e intercambio verbal por satélite.
• Fotodetector: La conversión de la luz en corriente eléctrica depende de la región de agotamiento del fotodiodo. En un diodo PIN, la región de agotamiento se aumenta añadiendo una capa intrínseca entre las uniones p-n. Debido al aumento de la región de agotamiento, el volumen de conversión se incrementa y la eficiencia del fotodiodo también. De ahí que el diodo PIN se utiliza como fotodiodo.
• El fotodiodo PIN también se utiliza para detectar rayos X y fotones de rayos gamma.

Aunque no se utilizan tanto como los diodos de unión PN normales, los diodos PIN se emplean en grandes cantidades. Los diodos PIN se utilizan sobre todo en aplicaciones de RF, donde sus bajos niveles de capacitancia y también sus propiedades de conmutación y resistencia variable los hacen muy buenos en aplicaciones de conmutación y atenuadores variables.

Diferencia entre diodo PIN y diodo de unión PN

Conclusión

Los diodos PIN son aditivos necesarios en la electrónica energética, famosos por su resistencia variable, sus rápidas velocidades de conmutación y su capacidad de afrontar alta energía. Su importancia se extiende a lo largo de paquetes vitales que consisten en conmutación de RF, atenuadores controlados por tensión, fuentes de alimentación en modo conmutado (SMPS), desplazadores de sección de RF y fotodetección.

A pesar de su eficiencia y adaptabilidad, es crucial para hacer frente a desafíos como el corte excesivo de fugas de polarización inversa y la sensibilidad a las versiones de temperatura para un rendimiento de primera clase. No obstante, la versatilidad de los diodos PIN los convierte en aditivos esenciales que desempeñan una función fundamental en la optimización de la conversión y el control de la electricidad.

Desde la alimentación de sistemas de comunicación hasta la contribución a soluciones avanzadas de electricidad renovable, los diodos PIN demuestran su versatilidad en diversas aplicaciones tecnológicas. Su capacidad para lograr un equilibrio entre eficiencia y flexibilidad los convierte en jugadores clave dentro del dinámico panorama de la electrónica energética, garantizando precisión y fiabilidad en todo un espectro de aplicaciones eléctricas.

Preguntas Frecuentes sobre Diodos PIN