用二极管设计:为什么选择AlGaAs?

十月. 24, 2017

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几十年来,诸如PIN二极管之类的固态控制元器件在射频和微波控制设备(例如开关和衰减器)上广为使用。PIN二极管充当电荷控制可变射频电阻,可带来低插入损耗、较大隔离、出色的功率处理能力和线性度,在许多情况下都优于任何场效应晶体管。PIN二极管的阻抗范围可高至50或60,其极值接近开路和短路。

PIN二极管可以与传输线(如微带、共面波导等)串联或并联。PIN二极管的电阻和电容分别确定串联连接的插入损耗和隔离,或并联连接的隔离和插入损耗。

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PIN二极管是一个3层器件,由

  • 阳极(掺入了受主的(p型)P层)、
  • 未掺杂(本征)I层
  • 阴极(掺入了施主的(n型)N层)组成

当此结构的横截面近似为标准圆柱形时,根据基本方程,我们发现结的面积和I层的厚度决定了PIN二极管不导电时的电容(C)和二极管偏置进入导通状态时的串联电阻(R):

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I层的介电常数(e)及其电阻率(r)由构成二极管的材料类型决定。厚度(也称为I层的长度(l)决定或影响若干性能参数,包括二极管的电容、二极管的电阻、二极管的雪崩击穿电压和产生的谐波失真。二极管结面积主要影响C和R。

电子元器件设计的实践无疑是一个权衡做法。随着PIN二极管使用频率的增大,二极管所需的电容必须减小才能实现可接受的性能,这主要通过减小结面积来实现。  但利用这种方法降低电容的代价是串联电阻相应增加,导致串联应用的插入损耗增加或并联应用的隔离度降低。除了增加I层厚度(这也会增加串联电阻),设计工程师别无他法。

串联电阻也可以用二极管的半导体物理特性来定义。

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其中,l是I层的厚度,µamb是注入I层的电荷载流子的双极性迁移率,Q表示注入I层的自由电荷载流子的量。

由于频率的增大导致硅的µamb产生过大的串联电阻,已开始使用µamb值更大的材料,例如砷化镓(GaAs)。对于毫米波(mmW)应用,即便使用µamb值更大的砷化镓也存在缺点。

为了满足在毫米波频率下对更优电阻和更低电容的需求,MACOM开发了采用新型砷化铝镓(AlGaAs)结构的异质结PIN二极管,以打破砷化镓和硅PIN二极管的局限性。砷化铝镓PIN二极管也是三层二极管,但具有显着差异:铝(Al)用作二极管阳极层中的p型掺质。二极管的I层和N层包含砷化镓。在阳极层加入铝会使二极管结的带隙相对于砷化镓PIN结构有所增大。当二极管的电压低于正向偏置电压时,这种带隙差会在空穴从I层扩散回P层时产生较大的势垒,从而增大I层中自由电荷载流子量Q。I层正向偏置电荷载流子量的这种增加减小了砷化铝镓PIN二极管的串联电阻,不会改变二极管反向偏置性能。 

最终结果是,一种以前无法避免的折衷得到了缓解:对于具有相同I层长度和相同电阻值的砷化铝镓PIN二极管和砷化镓PIN二极管,砷化铝镓PIN二极管具有更小的结面积和更低的结电容,从而可提高电路性能。

术语:

阳极:掺入了受主原子的二极管层。
雪崩击穿电压/击穿电压:特定大小的反向电流(通常为10μA)流过时的反向偏置电压。雪崩击穿电压的符号为VBR或VB
阴极:掺入了施主原子的二极管层。
二极管:双电极无源电子元件,通常可以进行整流。
掺质:添加到半导体材料中以获得所需效果的杂质。例如,添加到半导体中以形成阳极层的受主原子材料极为掺质。 
正向偏置:施加于整流半导体二极管阳极的电压相对于阴极为负的状态。
插入损耗:传输功率(通常以分贝表示)降低的情况,将元件或其他结构插入传输线路时会产生。此术语在损耗较小时使用。
隔离:由元件产生的插入损耗(通常以分贝表示)。此术语在损耗较大时使用。
本征层“I层”:典型掺杂浓度视作半导体天然状态的PIN二极管层。在PIN二极管中,本征层施主原子的掺杂浓度通常比阴极层低几个数量级。
PIN二极管:包含三层的半导体二极管。中间层是非掺杂的(l层),位于大量掺入受主原子的层(P层)和大量掺入施主原子(N层)的层之间。
串联电阻“RS”:对半导体结的电流流动的阻碍能力,其中结的模型是并联电路。串联电阻的符号是RS
开关:一种允许或防止信号在两点之间传播的器件(传输介质)。
反向偏置:施加于整流半导体二极管阳极的电压相对于阴极为正的状态。