Entwickeln mit Dioden: Warum AlGaAs wählen?

Seit Jahrzehnten werden Halbleiter-Steuerkomponenten wie PIN-Dioden in HF- und Mikrowellen-Steuergeräten wie Schaltern und Dämpfungsgliedern verwendet. PIN-Dioden wirken als ladungsgesteuerte variable HF-Widerstände, die eine geringe Einfügungsdämpfung, eine große Isolierung, eine ausgezeichnete Belastbarkeit und eine ausgezeichnete Linearität aufweisen und in vielen Fällen besser sind als jeder Feldeffekttransistor. Der Impedanzbereich, den eine PIN-Diode aufweisen kann, kann bis zu 5 oder 6 Dekaden betragen, wobei die Extremwerte in etwa einem offenen Schaltkreis und einem Kurzschluss entsprechen.

PIN-Dioden können entweder in Reihe oder im Shunt mit Übertragungsleitungen, wie Mikrostreifen, koplanaren Wellenleitern und mehr platziert werden. Der Widerstand und die Kapazität der PIN-Diode bestimmen die Einfügungsdämpfung bzw. die Isolation bei einer Reihenschaltung oder umgekehrt bei einer Nebenschluss-Schaltung.

(Bildquelle: MACOM Technology Solutions)

Die PIN-Diode ist ein 3-Schicht-Bauelement, bestehend aus

• der Anode, eine akzeptordotierte (p-Typ) P-Schicht
• eine undotierte (intrinsische) I-Schicht
• der Kathode, eine donator-dotierte (n-Typ) N-Schicht

Wenn diese Struktur als rechtszylindrischer Schnitt angenähert wird, können wir sehen, dass die Fläche des Übergangs und die Dicke der I-Schicht die Kapazität (C) der PIN-Diode bestimmen, wenn sie nicht leitend ist, und den Serienwiderstand (R) der Diode, wenn sie in den leitenden Zustand vorgespannt ist, gemäß den elementaren Gleichungen:

Die Permittivität der I-Schicht (e) und ihr spezifischer Widerstand (r) werden durch die Art des Materials bestimmt, aus dem die Diode besteht. Die Dicke, die auch als Länge (l) der I-Schicht bezeichnet wird, bestimmt oder beeinflusst mehrere Leistungsparameter, darunter unter anderem die Kapazität der Diode, den Widerstand der Diode, die Lawinendurchbruchspannung der Diode und die erzeugte harmonische Verzerrung. Die Fläche des Diodenübergangs betrifft in erster Linie C und R.

Die Praxis des Elektronikdesigns ist unweigerlich eine Übung, bei der Kompromisse eingegangen werden müssen. Da die Frequenzen, bei denen PIN-Dioden verwendet werden, höher geworden sind, muss die erforderliche Kapazität der Dioden kleiner sein, um eine akzeptable Leistung zu erzielen. Dies wurde in erster Linie durch eine Verringerung der Fläche des Knotenpunktes erreicht. Diese Kapazitätsverringerung hatte den Preis einer entsprechenden Erhöhung des Serienwiderstands, was zu einer erhöhten Einfügungsdämpfung bei einer in Reihe geschalteten Anwendung oder zu einer verringerten Isolierung bei einer im Nebenschluss geschalteten Anwendung führte. Abgesehen von einer Erhöhung der I-Schichtdicke, die auch einen erhöhten Serienwiderstand erzeugt, konnte der Konstrukteur nichts anderes tun.

Der Reihenwiderstand kann auch im Hinblick auf die halbleiterphysikalischen Eigenschaften der Diode definiert werden.

Dabei steht l für die Dicke der I-Schicht, µ_amb für die ambipolare Mobilität der in die I-Schicht injizierten Ladungsträger und Q für die Menge der in die I-Schicht injizierten freien Ladungsträger.

Als die Frequenzen so weit stiegen, dass der von Si erzeugte Serienwiderstand µ_amb zu groß wurde, wurden Materialien mit einem größeren Wert µ_amb, wie Galliumarsenid (GaAs), verwendet. Für Millimeterwellen-Anwendungen hat sogar der höhere Wert von µ_amb von GaAs Mängel.

Um diesen Bedarf an besserem Widerstand und geringerer Kapazität bei Millimeterwellenfrequenzen zu lösen, hat MACOM Heteroübergang-PIN-Diodenschalter entwickelt, die eine neuartige Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs)-Struktur verwenden, um die Einschränkungen von GaAs- und Si-PIN-Dioden zu beheben. Auch die AlGaAs-PIN-Dioden sind Dreischichtdioden, allerdings mit einem wesentlichen Unterschied: Aluminium (Al) wird als p-Dotierstoff in der Anodenschicht der Diode verwendet. Die I- und N-Schichten der Diode bestehen aus GaAs. Die Zugabe von Al zur Anodenschicht vergrößert die Bandlücke des Diodenübergangs im Vergleich zu einer GaAs-PIN-Struktur. Dieser Unterschied erzeugt eine größere Barriere für die Diffusion von Löchern von der I-Schicht zurück in die P-Schicht, wenn die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist, wodurch die Menge Q der freien Ladungsträger in der I-Schicht erhöht wird. Diese Erhöhung der Vorwärts-Ladungsträgerpopulation in der I-Schicht reduziert den Serienwiderstand der AlGaAs-PIN-Diode, ohne die Sperrvorspannungsleistung der Diode zu verändern.

Der Nettoeffekt ist, dass ein ehemals unantastbarer Kompromiss gelockert wurde: Bei einer AlGaAs-PIN-Diode und einer GaAs-PIN-Diode mit identischer I-Schichtlänge und identischen Widerstandswerten kann die AlGaAs-PIN-Diode eine kleinere Sperrschichtfläche mit geringerer Sperrschichtkapazität haben, was eine verbesserte Schaltungsleistung ermöglicht.

Glossar

Anode: Die Schicht einer Diode, die mit Akzeptoratomen dotiert wurde.

Lawinendurchbruchspannung / Durchbruchspannung: Die Sperrvorspannung, bei der ein spezifizierter Betrag des Sperrstroms (typischerweise 10 Mikroampere) fließt. Das Symbol für die Lawinendurchbruchspannung ist V_BR oder V_B.

Kathode: Die Schicht einer Diode, die mit Donatoratomen dotiert wurde.

Diode: Ein passives elektronisches Bauelement mit zwei Anschlüssen, das im Allgemeinen zur Gleichrichtung fähig ist.

Dotierstoff: Eine Fremdsubstanz, die einem Halbleitermaterial hinzugefügt wird, um einen gewünschten Effekt zu erzielen. Zum Beispiel ist das Akzeptor-Atom-Material, das einem Halbleiter zur Bildung einer Anodenschicht hinzugefügt wird, ein Dotierstoff.

Vorwärtsspannung: Der Zustand, in dem die an die Anode einer gleichrichtenden Halbleiterdiode angelegte Spannung in Bezug auf ihre Kathode negativ ist.

Einfügedämpfung: Die Reduzierung der übertragenen Leistung, typischerweise ausgedrückt in Dezibel, die sich ergibt, wenn eine Komponente oder eine andere Struktur in eine Übertragungsleitung eingefügt wird. Dieser Begriff wird verwendet, wenn der Verlust gering sein soll.

Isolation: Die typischerweise in Dezibel ausgedrückte Einfügedämpfung, die von einem Bauteil erzeugt wird. Dieser Begriff wird verwendet, wenn die Einfügungsdämpfung voraussichtlich groß sein wird.

Intrinsische Schicht, „I-Schicht“: Die Schicht einer PIN-Diode, die die typische Dotierungskonzentration aufweist, die als der Urzustand des Halbleiters angesehen wird. In einer PIN-Diode weist die intrinsische Schicht typischerweise eine Konzentration von Donatoratomen auf, deren Dotierungskonzentration um mehrere Größenordnungen niedriger ist als die der Kathodenschicht.

PIN-Diode: Eine Halbleiterdiode mit drei Schichten. Die zentrale Schicht ist intrinsisch dotiert (die l-Schicht) und liegt zwischen einer stark mit Akzeptoratomen dotierten Schicht (die P-Schicht) und einer stark mit Donoratomen dotierten Schicht (die N-Schicht).

Reihenwiderstand „RS“: Der Widerstand gegen den Stromfluss eines Halbleiterübergangs, wobei der Übergang als Parallelschaltung modelliert ist. Das Symbol für den Reihenwiderstand ist R_S.

Schalter: Eine Vorrichtung, die die Ausbreitung eines Signals zwischen Punkten erlaubt oder verhindert, ist ein Übertragungsmedium.

Sperrvorspannung: Der Zustand, in dem die an die Anode einer gleichrichtenden Halbleiterdiode angelegte Spannung in Bezug auf ihre Kathode positiv ist.