Pin-Diode

Grundprinzip und Bedeutung

Die pin-Diode ist ein elektrisches Halbleiterbauelement. Anders als bei einer gewöhnlichen pn-Diode liegt zwischen der stark p-dotierten und der stark n-dotierten Schicht eine zusätzliche schwach oder undotierte, eigenleitende Schicht. Sie heißt intrinsische Schicht oder i-Schicht. Deshalb stehen p- und n-Schicht nicht direkt miteinander in Kontakt.

Die i-Schicht enthält nur wenige freie Ladungsträger und ist daher ohne Ladungsträgerinjektion hochohmig. Bei angelegter Sperrspannung bildet sich eine größere Raumladungszone als bei einer klassischen pn-Diode. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz als steuerbarer Widerstand und Schalter in der Hochfrequenztechnik, als Hochspannungsdiode in der Leistungselektronik sowie als Photodiode. Die pin-Diode wird auch psn-Diode genannt, wobei s für „schwach dotiert“ steht, oder wegen ihrer Anwendung in der Leistungselektronik als Leistungsdiode bezeichnet.

Baulicher Aufbau

Als Grundmaterial dient überwiegend ein schwach n-leitendes Siliziumsubstrat. Es erhält auf einer Seite eine starke p-Dotierung und auf der anderen Seite eine starke n-Dotierung. Auch ein schwach p-dotiertes Substrat ist möglich; n-Material ist jedoch meist in höherer Reinheit erhältlich.

Die dotierten Bereiche können durch Diffusion, Epitaxie oder Ionenimplantation hergestellt werden. Auf beide hochdotierten Bereiche werden zur elektrischen Kontaktierung Metallschichten aufgebracht. Dadurch entstehen ohmsche Kontakte, die sich annähernd wie gewöhnliche elektrische Widerstände verhalten. Als Metallisierungsmaterial wird häufig Aluminium verwendet.

Elektrisches Verhalten

Bei positiver Vorspannung werden Löcher aus der p-Schicht und Elektronen aus der n-Schicht in die i-Schicht injiziert. Ihre Lebensdauer τ ist dort besonders hoch; für Silizium gilt τ ≈ 0,05…5 μs. Deshalb bleibt die Diode auch bei kurzen Spannungsimpulsen mit einer Impulsdauer tₚ ≪ τ leitend.

In Sperrrichtung entsteht zwischen p- und i-Zone eine von Ladungsträgern verarmte Raumladungszone. Ihre Tiefe z_d bei der Sperrspannung U_bias lautet:

z_d = √[(2ε₀εᵣU_bias/e) · ((N_A + N_D)/(N_A N_D))] ≈ √[2ε₀εᵣU_bias/(eN_D)].

Dabei sind ε₀ die elektrische Feldkonstante, εᵣ die Dielektrizitätszahl und e die Elementarladung. Die Näherung gilt, weil die Akzeptorkonzentration N_A der p-Dotierung viel größer ist als die Donatorkonzentration N_D der schwach n-dotierten i-Schicht. Typisch sind N_D = 10¹²–10¹⁴ cm⁻³ im Substrat und N_A = 10¹⁸–10²⁰ cm⁻³ in der p-Dotierung.

Im Gleichstrombetrieb ähnelt die pin-Diode einer normalen Halbleiterdiode. Bei Wechselstrom zeigt sie bis zur Grenzfrequenz f_c Gleichrichtereigenschaften, wobei f_c = 1/(2πτ) gilt. Oberhalb von 10f_c verhält sie sich näherungsweise wie ein ohmscher Widerstand. Dieser ist umgekehrt proportional zum mittleren Diodenstrom Ī_D,pin:

r_D,pin ≈ nU_T/Ī_D,pin, mit U_T = kT/e und n ≈ 1…2.

Wegen des Kontaktwiderstands sind minimal etwa 0,8–8 Ω erreichbar. Ist der Steuerstrom zu klein, kann ein großer überlagerter Wechselstrom die gespeicherte Ladung ausräumen. Die Diode verhält sich dann nicht mehr wie ein ohmscher Widerstand; es entstehen starke Verzerrungen und Intermodulationseffekte.

Die Kapazität einer negativ vorgespannten pin-Diode verhält sich wie die einer Kapazitätsdiode und beträgt C = εᵣε₀A/d. A ist dabei die wirksame Fläche und d der Abstand beziehungsweise die Breite der isolierenden Zone.

Technische Anwendungen

In der Hochfrequenztechnik dienen pin-Dioden hauptsächlich als gleichstromgesteuerte Widerstände, beispielsweise in Dämpfungsgliedern und Amplitudenreglern, oder als gleichspannungsgesteuerte HF-Schalter.

In der Leistungselektronik verbessert die i-Schicht bei Spannungen über 1 kV das Durchlassverhalten. Die breite Raumladungszone bewirkt gegenüber pn-Dioden eine um den Faktor 5 höhere Spannungsfestigkeit. Daher werden pin-Dioden als Gleichrichter- und Freilaufdioden für hohe Spannungen und Ströme eingesetzt.

Als Photodioden messen sie Strahlung und empfangen optische Signale in der Lichtwellenleiter-Übertragungstechnik, kurz LWL-Technik.

Steuerbarer Hochfrequenzwiderstand

Aufgrund ihres stromgesteuerten Widerstands kann eine pin-Diode als gesteuerter Spannungsteiler verwendet werden. Mehrere Dioden lassen sich zu Dämpfungsgliedern zusammenschalten. Ein π-Dämpfungsglied kann ein Signal abschwächen und dabei die Anpassung an den Wellenwiderstand annähernd konstant halten.

Die relativ dicke i-Zone führt zu einer geringen Sperrschichtkapazität, was den Einsatz bei hohen Frequenzen begünstigt. Auch bei einem mittleren Diodenstrom Ī_D,pin = 0 entsteht noch eine starke Sperrdämpfung.

Lichtempfindlicher Betrieb

In einer pin-Photodiode werden Photonen in der intrinsischen Schicht beziehungsweise Raumladungszone absorbiert und erzeugen Paare beweglicher Ladungsträger. Bei Photonenenergien unterhalb der Bandlücke E_g, also E < E_g, ist das Material transparent.

Pin-Photodioden und Avalanche-Photodioden werden vorwiegend in der Optoelektronik zur optischen Signalübertragung in der Nachrichtentechnik eingesetzt. Die pin-Photodiode ist der wichtigste Detektor für LWL-Anwendungen. Aufgrund ihrer dicken i-Schicht ist sie temperaturstabiler und kostengünstiger als die Avalanche-Photodiode. Da ihr jedoch eine interne Verstärkung fehlt, ist sie weniger empfindlich.

Bei Si-pin-Dioden liegen Spitzenwerte der Empfindlichkeit bei 850 nm zwischen −40 dBm bei 25 Mib s⁻¹ und −55 dBm bei 2 Mib s⁻¹. Für Wellenlängen über 1000 nm werden unter anderem Germanium (Ge), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Indium-Galliumarsenid-Phosphid (InGaAsP) verwendet. InGaAs besitzt mit 1600 nm die größte Grenzwellenlänge.

Ein Position Sensitive Device nutzt den lateralen Photoeffekt einer flächigen pin-Diode mit mehreren Elektroden. Damit lässt sich die Position eines Lichtflecks auf der Diode bestimmen.