Progettazione con i diodi: perché scegliere AlGaAs?

I componenti di controllo a stato solido, come i diodi PIN, sono utilizzati da decenni per dispositivi RF e di controllo a microonde, come gli interruttori e gli attenuatori. I diodi PIN funzionano come resistori RF variabili a controllo di carica, producendo bassa perdita di inserzione, elevato isolamento, ottima gestione della potenza ed eccellente linearità, in molti casi con risultati migliori rispetto ai transistor a effetto di campo. L'intervallo di impedenza di un diodo PIN può arrivare a 5 o 6 decadi e gli estremi assomigliano a un circuito aperto e chiuso.

I diodi PIN possono essere disposti in serie o in derivazione con le linee di trasmissione, come microstrisce, guide d'onda complanari e altro. La resistenza e la capacità del diodo PIN determinano rispettivamente la perdita di inserzione e l'isolamento per un collegamento in serie oppure il contrario per un collegamento in derivazione.

(Immagine per gentile concessione di MACOM Technology Solutions)

Il diodo PIN è un dispositivo a tre strati, composto da:

• l'anodo, un livello P (tipo p) drogato con accettori
• un livello I (intrinseco) non drogato
• il catodo, un livello N (tipo n) drogato con donatori

Se rappresentiamo questa struttura come sezione cilindrica, possiamo vedere che l'area della giunzione e lo spessore del livello I determinano la capacità (C) del diodo PIN quando non è conduttore e la resistenza in serie (R) del diodo quando è polarizzato in conduzione, secondo le equazioni elementari:

La permettività del livello I (e) e la sua resistività (r) sono determinate dal tipo di materiale che compone il diodo. Lo spessore, noto anche come lunghezza (l) del livello I, determina o influenza molti parametri delle prestazioni, tra cui la capacità del diodo, la sua resistenza, la sua tensione di rottura a valanga e la distorsione armonica prodotta. L'area della giunzione del diodo influenza soprattutto C e R.

La progettazione elettronica è senza dubbio l'arte del compromesso. Dato che le frequenze di utilizzo dei diodi PIN sono aumentate, la capacità richiesta per i diodi deve essere inferiore per ottenere prestazioni accettabili. Questo risultato è stato ottenuto soprattutto riducendo l'area della giunzione. Tale riduzione di capacità però ha avuto come conseguenza un proporzionale aumento della resistenza in serie e quindi una maggiore perdita di inserzione per le applicazioni collegate in serie o un minor isolamento per quelle collegate in derivazione. A parte l'aumento dello spessore del livello I, che causa anche una maggiore resistenza in serie, non c'era altro che potesse fare il progettista.

La resistenza in serie può essere definita anche in termini di proprietà fisiche del semiconduttore del diodo.

Dove l è lo spessore del livello I, µ_amb è la mobilità ambipolare dei portatori di carica inseriti nel livello I, e Q rappresenta la quantità di portatori di carica libera inseriti nel livello I.

Quando le frequenze hanno iniziato ad aumentare fino al punto in cui la resistenza in serie prodotta da µ_amb di Si è diventata troppo alta, sono stati adottati materiali con valore µ_amb più elevato, come l'arseniuro di gallio (GaAs). Per le applicazioni a onde millimetriche, anche il valore più alto di µ_amb di GaAs ha aspetti negativi.

Per risolvere questa esigenza di resistenza migliore e capacità inferiore alle frequenze delle onde millimetriche, MACOM ha sviluppato i diodi interruttori PIN con eterogiunzione utilizzando una struttura all'arseniuro di gallio di alluminio (AlGaAs) per tentare di risolvere i limiti dei diodi PIN GaAs e Si. Anche i diodi PIN AlGaAs sono a triplo strato ma con una differenza sostanziale: viene utilizzato l'alluminio (Al) come agente di drogaggio di tipo p nel livello dell'anodo del diodo. I livelli I e N del diodo comprendono GaAs. L'aggiunta di AI al livello dell'anodo aumenta il bandgap della giunzione del diodo rispetto a quella di una struttura PIN GaAs. Questa differenza produce una barriera più resistente alla diffusione di lacune dal livello I al livello P dove il diodo si trova in polarizzazione diretta, e quindi Q (la quantità di portatori di carica libera nel livello I) è maggiore. Questo aumento della popolazione di portatori di carica a polarizzazione diretta nel livello I riduce la resistenza in serie del diodo PIN AlGaAs senza modificarne le prestazioni in polarizzazione inversa.

Alla fine, l'effetto è proprio quello di un compromesso, fino ad oggi irraggiungibile: per un diodo PIN AlGaAs e un diodo PIN GaAs con lunghezze del livello I identiche e valori di resistenza identici, il diodo PIN AlGaAs può avere un'area di giunzione inferiore con capacità di giunzione inferiore, e permettere di ottenere prestazioni del circuito migliorate.

Glossario:

Anodo: livello di un diodo che è stato drogato con atomi di accettori.

Tensione di rottura a valanga/tensione di rottura: tensione di polarizzazione inversa a cui passa una corrente inversa di ampiezza specifica (in genere 10 microampere). Il simbolo della tensione di rottura a valanga è V_BR o V_B.

Catodo: livello di un diodo che è stato drogato con atomi di donatori.

Diodo: dispositivo elettronico passivo a doppio terminale, in genere capace di raddrizzamento.

Agente di drogaggio: sostanza esterna aggiunta al materiale del semiconduttore per ottenere un effetto specifico, ad esempio il materiale dell'atomo-accettore che viene aggiunto a un semiconduttore per formare un livello di anodi è un agente di drogaggio.

Polarizzazione diretta: condizione in cui la tensione applicata all'anodo di un diodo a semiconduttore raddrizzatore è negativa rispetto al relativo catodo.

Perdita di inserzione: riduzione della potenza trasmessa, tipicamente espressa in decibel, che si ottiene quando in una linea di trasmissione vengono inseriti un componente o un'altra struttura. Questo termine viene utilizzato quando si prevede che la perdita sia ridotta.

Isolamento: perdita di inserzione, in genere espressa in decibel, prodotta da un componente. Questo termine viene utilizzato quando si prevede che la perdita sia elevata.

Livello intrinseco "livello I": livello di un diodo PIN che ha la concentrazione di drogaggio tipica di quello che è considerato lo stato nativo del semiconduttore. In un diodo PIN, il livello intrinseco in genere ha una concentrazione di atomi di donatori che hanno concentrazione di drogaggio inferiore di diversi ordini di ampiezza rispetto al livello del catodo.

Diodo PIN: diodo semiconduttore formato da tre livelli. Il livello centrale è drogato intrinsecamente (livello I) e si trova tra un livello pesantemente drogato con atomi di accettori (livello P) e un livello pesantemente drogato con atomi di donatori (livello N).

Resistenza in serie "RS": l'opposizione al passaggio della corrente di una giunzione del semiconduttore dove la giunzione è modellata come circuito in parallelo. Il simbolo della resistenza in serie è R_S.

Interruttore: un dispositivo che consente o impedisce la trasmissione di un segnale tra più punti è un mezzo di trasmissione.

Polarizzazione inversa: condizione in cui la tensione applicata all'anodo di un diodo a semiconduttore raddrizzatore è positiva rispetto al relativo catodo.