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Electrónica Online

Diodo PIN

que es un 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.

diodo pin
Diodo PIN

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.

diodo pin simbolo

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:

diodo pin construccion

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.

diodo pin estructura

Funcionamiento del Diodo PIN

El principio de funcionamiento de un diodo PIN es similar al de un diodo de unión PN, sin embargo, la única variación es la presencia de una región intrínseca. Esta región funciona como una región de agotamiento entre las dos regiones P y N.

Cuando no se proporciona ningún potencial exterior al diodo PIN, los portadores de carga se dispersarán a través de la unión debido al gradiente de concentración.

diodo pin funcionamiento

Así, se forma una región de agotamiento en la unión NI (región N y región Intrínseca). Sin embargo, el espesor es mayor en la región I en comparación con la región N. Esto es así porque el nivel de dopaje de la región N es mucho mayor que el de la región I. Como ya asumimos que la región intrínseca es un material semiconductor no dopado.

Condición de Polarización Directa

Cuando el diodo PIN se somete a una polarización directa, la región de agotamiento en la unión p-n se reduce. Con la reducción de la región de agotamiento, la corriente comienza a fluir a través del diodo. El diodo PIN actúa como una resistencia variable cuando se opera en polarización directa. Se desarrolla un alto campo eléctrico a través de la unión y esto acelera el transporte de portadores de carga de la región P a la región N. Esto ayuda a un funcionamiento más rápido y, por lo tanto, el diodo PIN se utiliza para aplicaciones de alta frecuencia.

Condición de Polarización Inversa

Cuando el diodo PIN está en condiciones de polarización inversa, la anchura de la región de agotamiento aumenta. A una determinada tensión de polarización inversa, toda la capa intrínseca será barrida de portadores de carga. Esta tensión particular se denomina tensión de barrido. Normalmente, su valor es de -2V. Se utiliza para fines de conmutación mientras está en polarización inversa.

En esta polarización, el diodo funciona como un condensador. En este caso, las dos regiones P y N sirven como las dos placas del condensador. En un caso de alta polarización inversa, se puede observar una fina capa de agotamiento dentro de la capa P.

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

  • Menor ruido
  • La respuesta en frecuencia es buena
  • Se aceptan altas tensiones inversas
  • Menor corriente oscura
  • Lineal
  • 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
  • La velocidad de respuesta es alta
  • Responde a la luz

Desventajas del Diodo PIN

  • Menor área activa
  • El tiempo de recuperación inversa es alto debido a la pérdida de energía
  • El tiempo de respuesta no es rápido
  • Menos sensibilidad
  • No hay ganancia interna
  • Depende de la temperatura
  • En la corriente oscura, aumenta rápidamente
  • Necesita amplificación en la región de menor iluminación

Aplicaciones del Diodo PIN

Los diodos pin se utilizan para un gran número de aplicaciones. Algunos de los usos más importantes de este tipo de diodos son:

  • Conmutador de Radiofrecuencia (RF): Como se ha comentado anteriormente, un diodo PN puede utilizarse como interruptor de RF. Debido a la capa intrínseca entre las uniones PN, el nivel de capacitancia disminuye. Como consecuencia, el nivel de aislamiento se incrementa cuando el diodo recibe una polarización inversa. Esto lo convierte en un conmutador de RF ideal.
  • Rectificador de alta tensión: Debido a la capa intrínseca, la distancia entre las uniones p-n se incrementa y permite así una mayor tolerancia de voltaje entre las uniones.
  • 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.

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.

Preguntas Frecuentes sobre Diodos PIN

¿Qué material se utiliza en el diodo PIN?

Se utiliza el silicio porque tiene capacidad para manejar la potencia.

¿Cuántas capas semiconductoras hay en el diodo PIN?

Hay tres capas semiconductoras y son: una capa de tipo p y otra capa de tipo n que son estrechas y una capa intrínseca que es una región más amplia.

¿Qué ocurre en el diodo PIN para un modelo de baja frecuencia?

Para el modelo de baja frecuencia, hay una disminución de la resistencia y un aumento de la reactancia.

¿Cuándo actúa el diodo PIN como un condensador variable?

Actúa como un condensador variable cuando está en polarización inversa.

¿Cuándo actúa el diodo PIN como una resistor variable?

Actúa como un resistor variable cuando está en polarización directa.

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