Concevoir avec des diodes : pourquoi faire le choix de l'AlGaAs ?

Depuis des dizaines d'années, des composants de commande à semi-conducteurs comme les diodes PIN sont utilisés dans les dispositifs de commande RF et hyperfréquence, comme les commutateurs et les atténuateurs. Les diodes PIN servent de résistances RF variables à commande de charge, générant une faible perte d'insertion, un isolement étendu, une excellente tenue en puissance et une excellente linéarité. Dans de nombreux cas, elles sont par ailleurs plus performantes que n'importe quel transistor à effet de champ. La plage d'impédance d'une diode PIN peut s'étendre sur 5 ou 6 décades, avec des valeurs extrêmes à peu près équivalentes à un circuit ouvert et à un court-circuit.

Les diodes PIN peuvent être placées en série ou en parallèle avec des lignes de transmission, comme des microrubans, des guides d'ondes coplanaires, etc. La résistance et la capacité d'une diode PIN déterminent respectivement la perte d'insertion et l'isolement pour une connexion en série, ou l'inverse pour une connexion en parallèle.

(Source de l'image : MACOM Technology Solutions)

La diode PIN est un dispositif à 3 couches, composé des éléments suivants :

• L'anode, une couche P dopée par accepteur (type p)
• Une couche I non dopée (intrinsèque)
• La cathode, une couche N dopée par donneur (type n)

Lorsque cette structure est représentée sous forme de section cylindrique droite, on voit que la zone de jonction et l'épaisseur de la couche I déterminent la capacité (C) de la diode PIN en l'absence de conduction, et la résistance série (R) de la diode en cas de polarisation pour la conduction, conformément aux équations de base suivantes :

La permittivité de la couche I (e) et sa résistivité (r) sont déterminées par le type de matériau composant la diode. L'épaisseur, également appelée longueur (l) de la couche I, détermine ou affecte plusieurs paramètres de performances, notamment la capacité de la diode, sa résistance, sa tension de claquage par avalanche et la distorsion harmonique générée. La zone de jonction de la diode affecte principalement les valeurs C et R.

La pratique de conception électronique est toujours une affaire de compromis. Étant donné que les fréquences auxquelles sont utilisées les diodes PIN ont augmenté, la capacité requise des diodes doit être inférieure afin d'atteindre des performances acceptables. Pour y parvenir, la principale solution consiste à réduire la zone de jonction. Cette réduction de la capacité entraîne une augmentation proportionnelle de la résistance série, ce qui génère une perte d'insertion accrue pour une application connectée en série ou un isolement réduit pour une application connectée en parallèle. À moins d'augmenter l'épaisseur de la couche I, ce qui entraîne également une hausse de la résistance série, l'ingénieur de conception ne peut rien faire.

La résistance série peut également être définie selon les propriétés physiques du semi-conducteur de la diode.

Où l désigne l'épaisseur de la couche I, µ_amb désigne la mobilité ambipolaire des porteurs de charge injectés dans la couche I, et Q désigne la quantité de porteurs de charge libres injectés dans la couche I.

Étant donné que les fréquences ont augmenté jusqu'à un point où la valeur µ_amb des résistances série au silicium (Si) était trop grande, des matériaux présentant une valeur µ_amb supérieure, comme l'arséniure de gallium (GaAs), ont été adoptés. Pour les applications à ondes millimétriques (mmW), même la valeur µ_amb supérieure du GaAs présente des défauts.

Pour répondre au besoin quant à une meilleure résistance et une capacité inférieure aux fréquences à ondes millimétriques, MACOM a développé des commutateurs à diode PIN à hétérojonction à l'aide d'une nouvelle structure à l'arséniure de gallium et d'aluminium (AlGaAs) pour pallier aux limites des diodes PIN GaAs et Si. Les diodes PIN AlGaAs sont également des diodes à trois couches, mais avec une différence fondamentale : l'utilisation de l'aluminium (Al) en tant que dopant de type p dans l'anode de la diode. Les couches I et N de la diode contiennent du GaAs. L'ajout d'aluminium dans l'anode augmente la bande interdite de la jonction de la diode par rapport à celle de la structure PIN GaAs. Cette différence produit une plus grande barrière à la diffusion de trous de la couche I vers la couche P lorsque la diode est soumise à une polarisation directe, ce qui augmente la quantité Q de porteurs de charge libres dans la couche I. Cette augmentation du nombre de porteurs de charge dans la couche I lors de la polarisation directe réduit la résistance série de la diode PIN AlGaAs, sans modifier les performances de polarisation inverse de la diode.

L'un des compromis auparavant inévitable est ainsi supprimé : pour une diode PIN AlGaAs et une diode PIN GaAs ayant la même longueur de couche I et la même résistance, la diode PIN AlGaAs peut présenter une zone de jonction plus petite avec une capacité de jonction inférieure, ce qui permet d'obtenir de meilleures performances de circuit.

Glossaire :

Anode : la couche d'une diode qui est dopée avec des atomes accepteurs.

Tension de claquage par avalanche/tension de claquage : la tension de polarisation inverse à laquelle circule un courant inverse d'une grandeur spécifiée (typiquement 10 microampères). Le symbole de la tension de claquage par avalanche est V_BR ou V_B.

Cathode : la couche d'une diode qui est dopée avec des atomes donneurs.

Diode : un dispositif électronique passif à deux bornes, généralement doté d'une capacité de redressement.

Dopant : une substance étrangère qui est ajoutée au matériau semi-conducteur pour atteindre l'effet souhaité. Par exemple, le matériau des atomes accepteurs qui est ajouté à un semi-conducteur pour former la couche de l'anode est un dopant.

Polarisation directe : l'état dans lequel la tension appliquée à l'anode d'une diode de redressement à semi-conducteurs est négative par rapport à sa cathode.

Perte d'insertion : la réduction de la puissance transmise, typiquement exprimée en décibels, qui résulte de l'insertion d'un composant ou d'une autre structure dans la ligne de transmission. Ce terme est utilisé lorsque la perte est faible.

Isolement : la perte d'insertion, typiquement exprimée en décibels, générée par un composant. Ce terme est utilisé lorsque la perte d'insertion est élevée.

Couche intrinsèque, « couche I » : la couche d'une diode PIN dotée de la concentration dopante typique de l'état natif du semi-conducteur. Dans une diode PIN, la couche intrinsèque a typiquement une concentration d'atomes donneurs dont la concentration dopante est inférieure à celle de la cathode de plusieurs ordres de grandeur.

Diode PIN : une diode à semi-conducteurs comprenant trois couches. La couche centrale est intrinsèquement dopée (la couche I) et se trouve entre une couche fortement dopée avec des atomes accepteurs (la couche P) et une couche fortement dopée avec des atomes donneurs (la couche N).

Résistance série « RS » : l'opposition au flux de courant d'une jonction à semi-conducteurs où la jonction se présente sous forme de circuit en parallèle. Le symbole de la résistance série est R_S.

Commutateur : un dispositif permettant ou empêchant la diffusion d'un signal entre des points d'un support de transmission.

Polarisation inverse : l'état dans lequel la tension appliquée à l'anode d'une diode de redressement à semi-conducteurs est positive par rapport à sa cathode.