Leistungsdiode

Schema einer pin-Diode

Die pin-Diode (engl. positive intrinsic negative diode) ist ein elektronisches Bauelement, das ähnlich wie eine pn-Diode aufgebaut ist. Im Unterschied zu dieser befindet sich die p-dotierte Schicht nicht in direktem Kontakt zur n-dotierten Schicht, sondern es liegt eine schwach dotierte oder undotierte i-Schicht dazwischen. Das „i“ steht hierbei für intrinsisch, also eigenleitend. Da sie aber nur wenige freie Ladungsträger enthält, ist sie hochohmig.

Die PIN-Diode wird auch PSN-Diode (s für schwach dotiert) oder Leistungsdiode (auf Grund der hohen Leistungswerte, bei denen sie leitend wird) genannt.

Funktion

Bei pin-Dioden ist die Lebensdauer der Ladungsträger (Elektronen) mit $\tau \approx {{0{,}1} \dots 5 \, {\rm \mu s}}$ in der undotierten i-Schicht besonders hoch. Daher bleibt die pin-Diode auch dann leitend, wenn nur kurze Spannungsimpulse mit einer Impulsdauer von $t_{\rm P} \ll \tau$ anliegen. In diesem Zustand verhält sich eine pin-Diode wie ein Ohmscher Widerstand, der proportional zum mittleren Strom ${\overline{I}}_{\rm D,{pin}}$ ist.

$r_{\rm D,{pin}} \approx \frac{n \cdot U_T}{{\overline{I}}_{\rm D,{pin}}}$

In Durchlassrichtung funktioniert die pin-Diode dabei ähnlich wie eine normale Halbleiterdiode. Betreibt man die Diode in Sperrrichtung, ergibt sich in der p- und der i-Zone eine unterschiedlich breite Raumladungszone (RLZ). Durch die breite RLZ in der i-Zone sind diese Dioden für hohe Sperrspannungen geeignet.

Anwendung

pin-Dioden werden hauptsächlich in der Hochfrequenzanwendung als gleichstromgesteuerter Widerstand, als Gleichrichter, oder als Halbleiterdetektoren (Fotodioden) zur Strahlungsmessung und als Empfänger an Lichtwellenleitern (LWL) eingesetzt.

Gleichstromgesteuerter Widerstand

Spannungsteiler für Wechselspannungen mit pin-Diode

Schaltung eines π-Dämpfungsglieds

Durch das Verhalten als ohmscher Widerstand bei hohen Frequenzen, also $f \gg {\tau}^{-1}$, kann man eine pin-Diode als gleichstromgesteuerten Wechselspannungswiderstand einsetzen. Dabei überlagert man den hochfrequenten Wechselstrom mit einem Gleichstrom, wodurch man den Widerstand der i-Zone steuern kann.

In Hochfrequenzschaltungen mit $f > {2 \dots 100 \, {\rm MHz}} \gg {\tau}^{-1}$ werden meist π-Dämpfungsglieder mit drei pin-Dioden eingesetzt. Dadurch kann man eine Anpassung an den Wellenwiderstand (meist 50 Ω) vornehmen.

Zudem haben pin-Dioden aufgrund der relativ dicken i-Zone eine geringe Sperrschichtkapazität. Dadurch kann man diese, mit der Schaltung des π-Dämpfungsgliedes im Kurzschluss-Serien-Kurzschluss-Betrieb, auch als Hochfrequenzschalter einsetzen, wobei bei ${\overline{I}}_{\rm D,{pin}} = 0$ eine starke Sperrdämpfung entsteht.

Fotodiode

Die pin-Diode und die Lawinenphotodiode werden in der Optoelektronik für die optische Nachrichtentechnik für Lichtwellenleiter als Fotodioden verwendet. Je nach Anwendungszweck wird eine der beiden eingesetzt. pin-Dioden sind hierbei aufgrund der dicken i-Schicht temperaturstabiler und kostengünstiger aber weniger empfindlich als die Lawinenphotodioden, da in dieser mehr Ladungsträger gespeichert werden können. Spitzenwerte für die Empfindlichkeit liegen zwischen −40 dBm (25 Mib s⁻¹) und bei −55 dBm (2 Mib s⁻¹) bei 850 nm Wellenlänge.

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

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3540428496

Weblinks

• Elektronik-Kompendium zum Thema Diode und Hochfrequenzschalter
• PIN-Diode-Handbuch (pdf, englisch)