Diseñar con diodos: ¿Por qué elegir AlGaAs?

Durante décadas, los componentes de control de estado sólido, como los diodos PIN, se han utilizado en dispositivos de control de microondas y RF, como interruptores y atenuadores. Los diodos PIN actúan como resistencias de RF variables controladas por carga, produciendo baja pérdida de inserción, gran aislamiento, excelente manejo de potencia y excelente linealidad, y en muchos casos mejor de lo que cualquier transistor de efecto de campo puede producir. El rango de impedancia que puede presentar un diodo PIN puede ser tan grande como 5 o 6 décadas, cuyos extremos se aproximan a un circuito abierto y un cortocircuito.

Los diodos PIN se pueden colocar en serie o en derivación con líneas de transmisión, como microbanda, guía de onda coplanar y más. La resistencia y la capacitancia del diodo PIN determinan la pérdida de inserción y el aislamiento, respectivamente, para una conexión en serie, o lo contrario para una conexión en derivación.

(Fuente de la imagen: MACOM Technology Solutions)

El diodo PIN es un dispositivo de 3 capas compuesto por lo siguiente:

• El ánodo, una capa P (tipo p) dopada con aceptor
• Una capa I sin dopar (intrínseca)
• El cátodo, una capa de N (tipo n) dopada con un donante

Cuando esta estructura se aproxima como una sección cilíndrica derecha, podemos ver que el área de la unión y el espesor de la capa I determinan la capacitancia (C) del diodo PIN cuando no está conduciendo y la resistencia en serie (R) del diodo cuando está polarizado en conducción, de acuerdo con las ecuaciones elementales:

La permitividad de la capa I (e) y la resistividad (r) están determinadas por el tipo de material que comprende el diodo. El espesor, también conocido como la longitud (l) de la capa I, determina o afecta varios parámetros de rendimiento, que incluyen, entre otros parámetros, la capacitancia del diodo, la resistencia del diodo, el voltaje de ruptura por avalancha del diodo y la distorsión armónica producida. El área de la unión de diodos afecta principalmente a C y R.

La práctica del diseño de la electrónica es inviolablemente un ejercicio de hacer concesiones. Como las frecuencias a las que se utilizan diodos PIN han aumentado, la capacitancia requerida de los diodos debe ser menor para lograr un rendimiento aceptable. Esto se ha logrado principalmente reduciendo el área de la unión. Esta reducción en la capacitancia trajo consigo un aumento proporcional en la resistencia en serie, que generó una mayor pérdida de inserción para una aplicación conectada en serie o una disminución del aislamiento para una aplicación conectada en derivación. Aparte de aumentar el espesor de la capa I, que también produce una mayor resistencia en serie, el ingeniero de diseño no podía hacer nada más.

La resistencia en serie también se puede definir en términos de las propiedades físicas de los semiconductores del diodo.

Donde l es el espesor de la capa I, µ_amb es la movilidad ambipolar de los portadores de carga inyectados en la capa I y Q representa la cantidad de portadores de carga libre inyectados en la capa I.

Debido a que las frecuencias aumentaron hasta el punto de que la resistencia en serie de µ_amb de Si producida era demasiado grande, se adoptaron materiales con mayor valor µ_amb, como el arseniuro de galio (GaAs). Para aplicaciones de ondas milimétricas (mmW), incluso el valor más alto de µ_amb de GaAs tiene deficiencias.

Para resolver esta necesidad de una mejor resistencia y menor capacitancia en frecuencias de ondas milimétricas, MACOM ha desarrollado interruptores de diodo PIN de heterounión que utilizan una estructura novedosa de arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) para abordar las limitaciones de los diodos PIN GaAs y Si. Los diodos PIN AlGaAs también son diodos de tres capas, pero con una diferencia significativa: el aluminio (Al) se utiliza como dopante tipo p en la capa del ánodo del diodo. Las capas I y N del diodo comprenden GaAs. La adición de Al a la capa del ánodo aumenta el salto energético de la unión del diodo con respecto a la de una estructura PIN GaAs. Esta diferencia produce una barrera mayor para la difusión de los agujeros desde la capa I hacia la capa P cuando el diodo está bajo polarización directa, lo que provoca el aumento de Q, la cantidad de portadores de carga libre en la capa I. Este aumento en la población de portadores de carga de polarización directa en la capa I reduce la resistencia en serie del diodo PIN AlGaAs, sin cambiar el rendimiento de polarización inversa del diodo.

El efecto neto es que se ha aliviado una compensación antes inviolable: para un diodo PIN AlGaAs y un diodo PIN GaAs con longitudes de capa I idénticas y valores de resistencia idénticos, el diodo PIN AlGaAs puede tener un área de unión más pequeña con capacitancia de unión más baja, lo que permite un mejor rendimiento del circuito.

Glosario:

Ánodo: la capa de un diodo que se ha dopado con átomos aceptores.

Voltaje de ruptura por avalancha o voltaje de ruptura: el voltaje de polarización inversa al que fluye una magnitud específica de corriente inversa (normalmente 10 microamperios). El símbolo del voltaje de ruptura por avalancha es V_BR o V_B.

Cátodo: la capa de un diodo que se ha dopado con átomos donantes.

Diodo: un dispositivo electrónico pasivo de dos terminales que generalmente permite rectificación.

Dopante: una sustancia extraña que se agrega a un material semiconductor para lograr el efecto deseado. Por ejemplo, el material del átomo aceptor que se agrega a un semiconductor para formar una capa de ánodo es un dopante.

Polarización directa: la condición en la que el voltaje aplicado al ánodo de un diodo semiconductor rectificador es negativo con respecto a su cátodo.

Pérdida de inserción: la reducción de la potencia transmitida, normalmente expresada en decibeles, que se produce cuando se inserta un componente u otra estructura en una línea de transmisión. Este término se utiliza cuando se pretende que la pérdida sea pequeña.

Aislamiento: la pérdida de inserción, normalmente expresada en decibeles, producida por un componente. Este término se usa cuando se espera que la pérdida de inserción sea grande.

Capa intrínseca "capa I": la capa de un diodo PIN que tiene la concentración de dopaje típica que se considera para el estado nativo del semiconductor. En un diodo PIN, la capa intrínseca normalmente tiene una concentración de átomos donantes cuya concentración de dopaje tiene varias órdenes de magnitud menor que la de la capa del cátodo.

Diodo PIN: un diodo semiconductor con tres capas. La capa central está intrínsecamente dopada (la capa l) y se encuentra entre una capa que está fuertemente dopada con átomos aceptores (la capa P) y una capa que está fuertemente dopada con átomos donantes (la capa N).

Resistencia en serie "RS": la oposición al flujo de corriente de una unión de semiconductores donde la unión se modela como un circuito paralelo. El símbolo de la resistencia en serie es R_S.

Interruptor: un dispositivo que permite o evita que una señal se propague entre puntos. Es un medio de transmisión.

Polarización inversa: la condición en la que el voltaje aplicado al ánodo de un diodo semiconductor rectificador es positivo con respecto a su cátodo.