دیود پینی (PIN Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود پینی (PIN Diode) :
دیود پینی (PIN Diode) یک نوع دیود نیمه هادی است که در آن بین لایه های نیمه هادی نوع P و نوع N، یک لایه ذاتی (Intrinsic Layer - I) با خلوص بالا و مقاومت زیاد قرار دارد. این ساختار سه لایه (P-I-N) خواص منحصر به فردی به دیود می بخشد که آن را برای کاربردهای خاصی مانند کلیدزنی RF (RF Switching)، تضعیف کننده های متغیر (Variable Attenuators)، و محافظکننده ها (Limiters) در فرکانس های بالا بسیار مناسب می سازد.
در حالت بایاس صفر یا بایاس معکوس (Zero or Reverse Bias)، لایه ذاتی (I) کاملا تهی (Depleted) از حامل های بار است و مانند یک عایق عمل می کند. در این حالت، دیود یک امپدانس بسیار بالا (مدار باز) ارائه می دهد و ظرفیت خازنی بسیار کمی دارد (چون ناحیه تهی بسیار گسترده است). ظرفیت خازنی با رابطه
\[ C_j = \frac{\epsilon A}{W} \]تعیین می شود که در آن W ضخامت لایه I است. این ظرفیت می تواند بسیار کم باشد (کسری از پیکوفاراد).
در حالت بایاس مستقیم (Forward Bias)، حامل های بار (الکترون ها از N و حفره ها از P) به داخل لایه ذاتی تزریق می شوند. این حامل ها در لایه I ذخیره شده و رسانایی آن را افزایش می دهند. در نتیجه، دیود یک مقاومت سری (Series Resistance) بسیار کم (چند اهم) از خود نشان می دهد و مانند یک کلید بسته (مدار بسته) عمل می کند. زمان لازم برای تزریق و تخلیه این حامل ها (زمان بازیابی - Recovery Time) رفتار فرکانسی دیود را تعیین می کند.
مهم ترین ویژگی دیود PIN که آن را از دیود معمولی متمایز می کند، رفتار آن به عنوان یک مقاومت کنترل شونده با جریان (Current-Controlled Resistor) در فرکانس های بالا است. در فرکانس های RF و مایکروویو، دیود PIN به دلیل زمان ماندگاری (Lifetime) حامل ها در لایه I، یکسوسازی (Rectification) نمی کند، بلکه به صورت یک مقاومت خطی عمل می کند که مقدار آن با جریان بایاس مستقیم کنترل می شود.
مهم ترین کاربرد دیود PIN در کلیدزنی RF (RF Switching) است. از دیود PIN می توان به عنوان یک کلید سریع برای قطع و وصل مسیر سیگنال RF استفاده کرد. در حالت بایاس مستقیم، کلید بسته (امپدانس کم) و در حالت بایاس صفر یا معکوس، کلید باز (امپدانس بالا) است. این کلیدها در آنتن های هوشمند، سیستم های MIMO، و مدارات انتخاب باند (Band Selection) کاربرد دارند.
کاربرد دیگر در تضعیف کننده های متغیر (Variable Attenuators) است. با تغییر جریان بایاس مستقیم دیود PIN، می توان مقاومت سری آن را تغییر داد و در نتیجه میزان تضعیف سیگنال RF را کنترل کرد. این تضعیف کننده ها در کنترل خودکار بهره (Automatic Gain Control - AGC) و کالیبراسیون سیستم های مخابراتی استفاده می شوند.
دیودهای PIN همچنین در محافظکننده ها (Limiters) برای حفاظت از مدارات حساس RF در برابر سیگنال های قوی و نویزهای گذرا استفاده می شوند. در حضور سیگنال قوی، دیود PIN بایاس مستقیم شده و سیگنال اضافی را به زمین منحرف می کند. این محافظکننده ها در گیرنده های رادار و تجهیزات تست RF رایج هستند.
در شیفترهای فاز (Phase Shifters)، از دیودهای PIN به عنوان کلید برای تغییر طول مسیر سیگنال و در نتیجه تغییر فاز استفاده می شود. با ترکیب چندین دیود PIN و خطوط انتقال با طول های مختلف، می توان شیفترهای فاز با دقت بالا ساخت که در آرایه های فازی (Phased Arrays) کاربرد دارند.
کاربرد دیگر در مدولاتورها و دمدولاتورهای RF است. از دیود PIN می توان برای مدولاسیون دامنه (Amplitude Modulation) سیگنال RF با تغییر تضعیف استفاده کرد. همچنین در آشکارسازهای پوش (Envelope Detectors) برای فرکانس های بالا کاربرد دارد.
دیودهای PIN همچنین در فوتونیک (Photonics) و مخابرات نوری به عنوان آشکارساز نوری (Photodetector) استفاده می شوند. فتودیود PIN (که قبلا توضیح داده شد) در واقع یک دیود PIN است که برای جذب نور بهینه شده است. در این کاربرد، نور در لایه ذاتی جذب شده و جفت الکترون-حفره تولید می کند.
مواد سازنده دیود PIN معمولا سیلیکون (Silicon) برای فرکانس های تا چند گیگاهرتز و گالیوم آرسناید (GaAs) یا InGaAs برای فرکانس های بالاتر (چند ده گیگاهرتز) است. دیودهای PIN سیلیکونی ارزان تر و با توان بالاتر هستند. دیودهای PIN مبتنی بر GaAs سرعت بالاتر و زمان بازیابی کمتری دارند.
پارامترهای مهم در انتخاب دیود PIN عبارتند از: مقاومت سری در حالت روشن (R_s)، ظرفیت خازنی در حالت خاموش (C_j)، ولتاژ شکست معکوس (V_BR)، زمان بازیابی (t_rr) یا زمان ماندگاری حامل ها (Carrier Lifetime)، و حداکثر توان قابل تحمل. این پارامترها باید با توجه به فرکانس کاری و سطح توان سیگنال انتخاب شوند.
در نهایت، دیود PIN یک قطعه همه کاره در الکترونیک RF و مایکروویو است. توانایی آن در عمل به عنوان یک مقاومت کنترل شونده با جریان در فرکانس های بالا، آن را برای کلیدزنی، تضعیف، و محافظت از سیگنال های RF ایده آل ساخته است. با پیشرفت در مواد و ساختار، دیودهای PIN همچنان نقش مهمی در سیستم های مخابراتی بی سیم، رادارها، و تجهیزات تست RF ایفا می کنند.
