PIN

La diode PIn est une diode spéciale qui a des applications particulières: redressement de hautes tensions et fonctionnement comme interrupteur dans les très hautes fréquences
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La construction et le fonctionnement des diodes est expliqué sur une page précédente. La diode PIN contient une zone supplémentaire entre la zone P et N, une zone faiblement dopée et donc peu conductrice. C'est une zone dite "intrinsèque", qui a les caractéristiques du silicium pratiquement pur.

Utilisé comme diode normale, elle a des caractéristiques un peu moins bonnes dans le sens de la conduction, à cause de la large zone non dopée. Par contre elle résiste bien aux tensions inverses très élevées.

La diode PIN ressemble donc environ à la structure à droite, avec le silicium dopé par un élément trivalent à gauche (P), c'est la zone cyan et un élément pentavalent à droite (N), la zone jaune. A gauche on a donc des trous (en blanc) et à droite des éléctrons surnuméraires (en rouge).

Quand on applique une tension électrique dans le sens de la conduction (donc de N vers P), les électrons et les trous vont se déplacer normalement dans la partie N et P. Les électrons et les trous injectés dans la zone intrinsèque peuvent se déplacer dans cette zone, mais quand un trou rencontre un électron, ils se recombinent et la charge électrique qu'ils transportaient est anullée. La diode a ainsi une impédance relativement élevée dans le sens de la conduction. Plus le courant est élevé, et plus il y a d'électrons et de trous dans la zone I: la résistance de la diode en conduction est relativement constante.

Mais tout change quand on ajoute une tension haute fréquence sur la tension continue. La fréquence est tellement élevée que les électrons (et les trous) n'ont pas le temps de traverser la zone I, ou même de se recombiner. Au contraire, ils sautent dans la zone, puis hors de la zone, dans la zone, etc (ce sont les traits verts). Pour la très haute fréquence la diode agit un peu comme un cours circuit quand elle est mise en conduction par un courant continu. Plus le courant continu est élevé, et plus il y a de trous et d'électrons dans les zones intermédiaires (PI et NI) et plus l'impédance est basse. L'impédance dépend également de la fréquence utilisée (ces diodes sont utilisées dans la gamme de fréquences de 1GHz et plus).

La diode a les caractéristiques suivantes:

  • Non conductrice si polarisée en sens inverse avec une très faible capacité interne (une diode pin ne peut pas être utilisée comme diode varicap). La large zone intrinsèque non-conductrice réduit très fortement la capacité interne de la diode.

  • Le passage du mode de conduction au mode de non-conduction (recovery time) est lent, car il faut éliminer tous les électrons et trous en transit dans la zone intrinsèque (sweep time). Les diodes PIN ne sont donc pas utilisable pour le redressement de signaux haute fréquence.

  • Mauvaise conductrice si polarisée dans le sens de la conduction, mais très faible résistance dynamique pour les signaux très haute fréquence. La résistance est inversément proportionelle au courant continu dans la diode et à la fréquence de la composante HF.
Les diodes PIN sont par exemple utilisées dans le radar comme TR switch (Transmit Receive) à l'entrée du récepteur. Quand le magnétron émet, la diode est en conduction par une tension continue pour bloquer les sighaux haute fréquence de très forte puissance issus du magnétron, pour éviter la destruction du récepteur. Quand le magnétron n'émet plus, la diode n'est plus polarisée et n'est plus conductrice. Elle laisse alors passer l'écho en provenance de l'antenne.

Comme protection du récepteur on utilise généralement une combinaison TR switch et anti-TR switch après le circulateur qui réduit déja fortement l'amplitude du signal du magnétron. Pendant l'émission (signal en rouge) l'anti-TR est ouvert (ne laisse pas passer le signal) tandis que le TR est en conduction et met le signal qui aurait pu traverser l'anti-TR à la masse. Il y a donc trois filtres actifs: le circulateur, le TR (fermé) et l'ATR (ouvert).

Pendant l'écoute, c'est l'inverse: l'ATR est fermé et laisse passer les échos et le TR est ouvert pour ne pas cours-circuiter les échos.



Le circulateur produit une réduction du signal du magnétron de 30dB et chaque switch produit une atténuation supplémentaire de 20dB ou plus. Avec une réduction de 70dB, le récepteur est suffisamment protégé. Avec un magnétron qui émet à 30kW, la puissance qui aboutit au récepteur est de 3mW.

A gauche un switch TR/ATR en pratique, avec une diode qui est en conduction pendant l'émission (la diode avec le point rouge) et une diode en conduction pendant la réception (celle avec le point vert). Il y a une tension positive (réception) ou négative (émission) sur la ligne bias, qui met l'une ou l'autre diode en conduction.

Il n'est pas possible d'utiliser des diodes de commutation normales, car elles ont une capacité interne relativement élevée (au minimum plusieurs pF) ce qui fait qu'elles se comportent toujours comme un cours-circuit pour les fréquences élevées.

Le fonctionnement du radar moderne est décrit ici.

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