ダイオードを使用した設計：AlGaAsを選択する理由

数十年間にわたって、PINダイオードなどのソリッドステート制御部品は、スイッチやアッテネータのようなRFおよびマイクロ波制御デバイスで使用されてきました。PINダイオードは電荷制御可変RF抵抗器として機能し、多くの場合、電界効果トランジスタよりも、低挿入損失、大きな絶縁、優れた電力処理、および優れた直線性を実現します。PINダイオードが提供可能なインピーダンス範囲は、最大5または6ディケードです。これらは、開放および短絡に近い極端な数値です。

PINダイオードは、マイクロストリップやコプレーナウェーブガイドなどの伝送ラインにより、直列またはシャントで配置できます。PINダイオードの抵抗および静電容量は、直列接続またはシャント接続においてそれぞれ挿入損失および絶縁を決定します。

（画像提供：MACOM Technology Solutions）

PINダイオードは3層デバイスで、以下により構成されています。

• アノード、アクセプタドープ（p型）P層
• 非ドープ（固有）I層
• カソード、ドナードープ（n型）N層

以下の基本的な式によると、この構造が直円柱型セクションとして近似される場合、接合の面積とI層の厚さが、非導通時にはPINダイオードの静電容量（C）を決定し、導通にバイアスされている場合にはダイオードの直列抵抗（R）を決定することが分かります。

I層（e）の誘電率とその抵抗性（r）は、ダイオードを構成する材料のタイプによって決定されます。I層の長さ（l）としても知られる厚さは、複数の性能パラメータを決定するかそれに影響を与えます。これには、他のパラメータに加えて、ダイオードの静電容量、ダイオードの抵抗、ダイオードのアバランシェ降伏電圧、および生成された高調波歪みが含まれます。ダイオード接合の面積は、主にCとRに影響を与えます。

エレクトロニクス設計の実践は、トレードオフを作るうえで侵すことができません。PINダイオードが使用される周波数が増加すると、許容可能な性能を実現するために、ダイオードに必要な静電容量を小さくする必要があります。これは、主に接合の面積を縮小することによって実現されてきました。この静電容量の削減は直列抵抗の同等の増加という代償によってもたらされ、直列接続アプリケーションにとっては挿入損失の増加、シャント接続アプリケーションにとっては絶縁の減少につながりました。I層の厚さを増して直列抵抗を増加させること以外、設計技術者にできることはありませんでした。

直列抵抗もダイオードの半導体物理的特性の観点で定義できます。

lがI層の厚さである場合、µ_ambはI層に挿入された電荷キャリヤの両極性移動度であり、QはI層に挿入された自由な電荷キャリヤの量を表します。

周波数が増加してSiにより生成された直列抵抗のµ_ambが大きすぎるようになったため、ガリウムヒ素（GaAs）などのより大きなµ_amb値を備えた材料が採用されました。ミリ波（mmW）アプリケーションでは、GaAsの高いµ_ambの値にも短所があります。

ミリ波周波数でのより良い抵抗と低い静電容量に対するこのニーズを解決するため、MACOMは、新しいアルミニウムガリウムヒ素（AlGaAs）構造を使用してGaAsおよびSi PINダイオードの限界に対処する、ヘテロ接合PINダイオードスイッチを開発しました。AlGaAs PINダイオードも3層ダイオードですが、重要な違いがあります。アルミ（Al）は、ダイオードのアノード層でp型ドーパントとして使用されます。ダイオードのIおよびN層は、GaAsで構成されています。アノード層にAlを追加することにより、ダイオード接合のバンドギャップがGaAs PIN構造のバンドギャップに対して増加します。ダイオードが順バイアスである場合、この違いはI層からP層への正孔の拡散に対してより大きなバリアを生成します。これにより、I層の自由な電荷キャリヤの量であるQが増加します。I層の順バイアス電荷キャリヤのこの増加により、ダイオードの逆バイアス性能を変えることなく、AlGaAs PINダイオードの直列抵抗が減少します。

正味の効果は、以前は不可侵だったトレードオフが緩和されたことです。同じI層の長さと同じ抵抗値を備えたAlGaAs PINダイオードおよびGaAs PINダイオードにおいて、AlGaAs PINダイオードは低い接合静電容量により接合面積が小さくなり、回路性能を向上させることができます。

用語集：

アノード：アクセプタ原子でドープされたダイオードの層。

アバランシェ降伏電圧/降伏電圧：特定の大きさの逆電流（通常10マイクロアンペア）が流れる逆バイアス電圧。アバランシェ降伏電圧のシンボルは、V_BRまたはV_Bです。

カソード：ドナー原子でドープされたダイオードの層。

ダイオード：一般的に整流が可能な2端子の受動電子デバイス。

ドーパント：望ましい効果を実現するために半導体材料に追加された異物。たとえば、アノード層を形成するために半導体に追加されるアクセプタ原子材料はドーパントです。

順バイアス整流半導体ダイオードのアノードに印加された電圧がカソードに対して負である状態。

挿入損失：部品や他の構造が伝送ラインに挿入される場合に発生する伝送電力の減少（通常デシベル単位で表される）。この用語は、意図された損失が小さい場合に使用されます。

絶縁：部品によって生成される挿入損失（通常デシベル単位で表される）。この用語は、予想される挿入損失が大きい場合に使用されます。

真性層「I層」：半導体のネイティブ状態と考えられる特有のドーピング濃度を備えたPINダイオードの層。PINダイオードにおいて、通常、真性層にはドーピング濃度がカソード層よりも数桁小さいドナー原子の濃度があります。

PINダイオード：3層で構成される半導体ダイオード。中心層は本質的にドープされており（I層）、アクセプタ原子（P層）で高ドープされた層とドナー原子（N層）で高ドープされた層の間にあります。

直列抵抗「RS」：接合が並列回路としてモデル化された半導体接合の電流に対する抵抗。直列抵抗のシンボルは、R_Sです。

スイッチ：信号のポイント間での伝播を可能にしたり、防止したりするデバイス。

逆バイアス：整流半導体ダイオードのアノードに印加された電圧がカソードに対して正である状態。