Capítulo 2 - Diodos para Microondas. Diodo P-I-N

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Ilda Oliveira Gorjão
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1 Diodo P-I-N É composto por um bloco de cristal intrínseco que separa uma fina camada de cristal P + de uma fina camada de cristal N +. Como é impossível obter um cristal intrínseco 100% livre de impurezas, os diodos PIN são construídos utilizando cristais do tipo p (P - ) ou do tipo n (N - ). As junções dos cristais criam as regiões de exaustão ao longo do dispositivo, devido a diferença de dopagem dos mesmos. A figura a seguir apresenta a estrutura de um diodo P-n -N, juntamente com a distribuição de cargas ao longo do dispositivo.

2 Diodo P-I-N - Distribuição de cargas

3 Diodo P-I-N Se a dopagem do cristal intrínseco for suficientemente pequena, então a região de exaustão irá se propagar por todo o material N +, desde de que este seja suficientemente fino. Normalmente ocorre o cenário apresentado na figura anterior, onde a região de carga penetra ligeiramente nos cristais com alta dopagem. Polarizando o dispositivo reversamente, é possível aumentar o tamanho da região de exaustão até esta abranger todo o material N +. A tensão que provoca esta situação é chamada de tensão de perfuração. O campo elétrico na região de exaustão depende da quantidade de impurezas no material p ou n. De uma forma geral, quanto menor for a dopagem neste cristal, mais constante é o campo elétrico.

4 Diodo P-I-N - Circuito Equivalente Se a corrente reversa causada pelos minoritários for ignorada, é possível afirmar que o diodo PIN se comporta como um capacitor (quando polarizado reversamente). Sua capacitância de junção depende do comprimento do cristal intrínseco e da área da seção transversal dos cristais. Além da capacitância, deve-se considerar uma resistência série que representa as perdas e um indutor que representa as indutâncias parasitas do circuito. Um diodo PIN bem construído possui R S em torno de 5W e L S variando entre centenas de ph à unidades de nh.

5 Diodo P-I-N - Circuito Equivalente

6 Diodo P-I-N - Circuito Equivalente Quando polarizado diretamente, há uma grande inserção de portadores livres no cristal intrínseco, o que reduz sua resistência. O valor da resistência do diodo será inversamente proporcional à quantidade de corrente que circula pelo componente (modulação de condutividade. Assim, obtém-se o circuito equivalente (b) apresentado na figura anterior, onde R f é obtido em função da corrente direta. A possibilidade de controlar a resistência do diodo PIN através da corrente direta permite seu uso em atenuadores ajustáveis e sistemas de chaveamento de RF.

7 Diodo P-I-N Aplicação em Sistema de Chaveamento O uso deste dispositivo em sistemas de chaveamento é baseado na diferença de suas características quando polarizado diretamente e reversamente. Dependendo da sua polarização, este dispositivo apresenta alta ou baixa impedância, o que permite controlar a transmissão de sinais. A comutação de baixa para alta impedância é conseguida mudando a polarização do diodo de direta para reversa. O valor da corrente de polarização determina qual será a atenuação oferecida pelo dispositivo. Basicamente, existem dois tipos de chaveadores de RF construídos com diodos PIN: (a) serial e (b) paralelo. O serial pode ser utilizado apenas em linhas bifilares, já o paralelo pode ser usado tanto em linhas bifilares quanto em guias de onda.

8 Diodo P-I-N Aplicação em Sistema de Chaveamento

9 Diodo P-I-N Aplicação em Sistema de Chaveamento Na montagem em paralelo, quando a tensão de polarização for nula ou negativa, o diodo apresenta uma alta impedância, de modo que seu efeito sobre o sinal de RF seja desprezível. Assim, a linha de transmissão ou o guia de ondas se comportará como um circuito casado, permitindo a transmissão do sinal. Quando o diodo for polarizado diretamente, sua resistência decresce drasticamente quase curto-circuitando a linha de transmissão ou guia de ondas. Nesta situação, a onda eletromagnética é refletida e um elevado coeficiente de onda estacionária é estabelecido no circuito. O circuito se comporta como uma chave que está fechada quando a tensão de polarização for nula ou negativa e aberta, quando a tensão de polarização é positiva. Quando o diodo está polarizado diretamente, praticamente toda a potência é devolvida para o gerador. A potência de RF dissipada no circuito é mínima.

10 Diodo P-I-N Aplicação em Sistema de Chaveamento Por exemplo, um diodo que com polarização direta tenha resistência de 1W, ligado a uma linha com impedância característica de 50W, ocasionará um coeficiente de reflexão de 0,96. Apenas 7,6% da potência será dissipada no diodo. Se o diodo for capaz de tolerar 3 Watts, a potência no guia de ondas pode ser aproximadamente 40 Watts, sem perigo de danos ao diodo. É comum utilizar dois ou mais diodos para se obter um circuito de boa qualidade, pois é mais barato utilizar dois diodos de pior qualidade para alcançar o desempenho elétrico de um diodo de melhor qualidade.

11 Diodo P-I-N Exercício Considere um circuito de RF chaveado por diodo PIN. Determine a potência de retorno ao gerador e a potência absorvida pela carga quando o diodo está polarizado diretamente e reversamente. Dados: Potência do gerador: 40dBm Carga: 50Ω R[-5V]=2,2kΩ R[5V]=12Ω Impedância característica: 50Ω. Repita este exemplo para a conexão do diodo em série.

12 Diodo P-I-N Exercício Seja um diodo PIN cuja a curva de resistência é apresentada abaixo. R[Ω] Ω D1 50 Ω I D [ma] Determine a atenuação para chave aberta e chave fechada, considerando que a fonte de corrente de polarização varie de 1mA à 13mA. O que poderia ser feito para que a chave apresenta-se um desempenho melhor? Implemente a sua sugestão e calcule as novas atenuações.

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