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Geschirmte Anoden-PIN-Diode bringt neues Leben in eine Technologie der 1950er Jahre

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Ein neuartiges PIN-Diodenkonzept soll eine 10 bis 50-fach bessere Isolation erreichen als eine typische PIN-Diode.

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Die RF-PIN-Diode, wie wir sie heute kennen, wurde 1950 von J. Nishizawa erfunden. Heute, fast 70 Jahre später, ist ein neues PIN-Diodenkonzept mit abgeschirmter Anoden-PIN-Diode (SAPIN) entstanden. Diese neue PIN-Diode bietet dank der Einführung einer einfachen elektrostatischen Abschirmung eine 10 bis 50-fach bessere "AUS"-Isolation. Eine "OFF"-Isolation von mehr als 40 dB bei 2 GHz und 0 Vdc wird mit einem einzigen Seriengerät erreicht. Die Theorie des Betriebs wird hier zusammen mit Messungen an hergestellten Silizium (Si) SAPIN-Does vorgestellt.

PIN-Diodenbetrieb

Eine PIN-Diode besteht aus einem breiten, undotierten intrinsischen (i-regionalen) Halbleiter, meist Si oder Galliumarsenid (GaAs). Der i-Bereich ist zwischen der p+ Anode und der n+ Kathode eingeklemmt. Beide sind mit einem leitenden Metall wie Gold oder Aluminium verbunden

1. Die Anode und die Kathode sind beide mit einem leitenden Metall verbunden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Dioden ermöglicht der breite i-Bereich den Betrieb der PIN-Diode als schneller HF-Schalter oder stromgesteuerter Linearwiderstand. Im vorwärtsgerichteten Zustand arbeitet die PIN-Diode unter einem High-Level-Injektionszustand. Bei niedrigen Frequenzen verhalten sich die PIN-Dioden wie eine normale Diode und folgen den gleichen Grundgleichungen für Strom (I) und Spannung (V).

Bei tiefen Frequenzen weit unterhalb der Trägerlebensdauer τ kann die Ladung herausgefahren werden und die Diode schaltet "AUS" Bei hohen Frequenzen bleibt nicht genügend Zeit, um die Träger aus dem i-Bereich zu entfernen, und die Dioden bleiben auf "EIN" geschaltet Der Wechselstrom-Serienwiderstand, Rs, wird durch:

30G-Gleichung.png

wo:

τ = Trägerlebensdauer im i-Bereich (ca. 1 µs für Si, 10 ns für GaAs)

Q = Ifτ

W = i-Bereichsbreite (ca. 5 µm für Schalter, 200 µm für CATV-Dämpfungsglieder)

If = Vorwärts-Vorspannung Strom

µn = Elektronenbeweglichkeit

µn = Lochbeweglichkeit

Abbildung 2 zeigt eine vereinfachte HF-Ersatzschaltung für eine HF-PIN-Diode. Der Serienwiderstand RS war bereits vorgegeben. PIN-Dioden für HF-Schaltungen haben typischerweise eine RS von 10 Ω bei 1-mA Vorwärts-Ruhestrom. Für lineare Dämpfungsanwendungen ist RS typischerweise 75 Ω. Die parasitäre Reiheninduktivität, Ls, stellt die Bonddraht- und Gehäuseführungsinduktivität dar. Der Wert für Ls liegt normalerweise bei etwa 1 nH.

2. Dies ist eine vereinfachte HF-Ersatzschaltung für eine PIN-Diode.

Der Kondensator Cj von der Anode zur Kathode ist auf die Übergangs- und Randkapazität innerhalb der PIN-Diode zurückzuführen. Diese Kapazität ist eine unerwünschte parasitäre Eigenschaft. In HF-Schaltern und Dämpfungsschaltungen ist eine gute Isolierung wichtig, aber schwer zu erreichen. Letztendlich ist die beste Isolation durch die Größe von Cj begrenzt.

Unter Nullvorspannung erstreckt sich der Depletionsbereich in einer PIN-Diode aufgrund der undotierten Natur des i-Bereichs in der Regel über die gesamte Strecke über den i-Bereich zur Kathode. Unter Nullvorspannung erstrecken sich die elektrostatischen Feldlinien von der Anode zur Kathode

3. Feldlinien und Randfelder sind in dieser Abbildung dargestellt.

Abbildung 3 zeigt die Feldlinien, die gemäß der Parallelplattenkapazitätsformel berücksichtigt würden, sowie Randfeldlinien zur geerdeten Kathode unten. Die Gesamtkapazität der zusätzlichen Randfelder kann viel größer sein als die der Parallelplattenkapazität allein.

Die SAPIN-Diode

Abbildung 4 zeigt die Draufsicht auf die SAPIN und eine vereinfachte Querschnittszeichnung der SAPIN-Diode.1 Als normale PIN-Diode verfügt das Gerät über eine p+ Anode, einen undotierten i-Bereich und einen n+ Kathodenanschluss. (Normalerweise ist die Kathode die Rückseite des Gerätes für eine gute Masseverbindung, aber Anode und Kathode können ausgetauscht werden.)

Um die Anode, in diesem Fall SiO2, wird eine neue Schirmklemme aus Metall über einem Isolator angebracht. Diese Abschirmung hat wenig Einfluss auf die dc RS-Eigenschaften der PIN-Diodenaktion. Mit 0 Vdc an der Anode wird ein Teil der elektrostatischen Feldlinien von der Kathode weggezogen, stattdessen wird sie an der neuen Schirmklemme abgeschlossen.

3D-Gerätesimulationen zeigen, dass der Wert von Cj um mehr als das Zwei- bis Dreifache des Gesamtwertes reduziert werden kann, wodurch die Geräteisolierung drastisch verbessert wird. Die eigentliche Bedienung der SAPIN ist wesentlich komplizierter als in der vereinfachten elektrostatischen Zeichnung dargestellt. Abbildung 5 zeigt einen eingeschalteten SAPIN, der mit kleinen Strömen (ca. 10 µA bis 1 mA) arbeitet. Ein einfaches verteiltes RC-Netzwerk hat sich als grobe Modellbeschreibung des Betriebs der SAPIN erwiesen. Der eigentliche Betrieb ist aufgrund der verteilten Natur der Parasiten sowie einer variablen Trägerlebensdauer sehr schwierig zu modellieren.

5. Zwischen dem Schirm und der Anode sowie zwischen dem Schirm und der Kathode besteht eine parasitäre Kopplung.

Wie direkt aus Figur 5 bestimmt werden kann, tritt eine parasitäre Kopplung zwischen der Abschirmung (S) und der Anode sowie zwischen der Abschirmung und der Kathode auf. Direkte Messungen ermöglichen am besten das Verständnis und die Modellierung des eigentlichen Gerätes.

SAPIN Diodenmessungen

Abbildung 6 zeigt eine gefertigte SAPIN. Das Gerät wurde aus 4-Zoll-Si-Wafern mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 3000 Ω-cm hergestellt. Die Matrizengröße beträgt 350 × 350 µm, wobei die i-Regionale Dicke von 250 bis 375 µm variiert. Diese Geräte sind auf HF-Dämpfungsanwendungen ausgerichtet.

6. Dargestellt ist eine fabrizierte SAPIN.

Anode, Kathode und Schildmetallisierung sind aus Aluminium. Die gemessene effektive Trägerlebensdauer auf Si-Wafer- und Die-Proben wurde auf etwa 1,5 µs festgelegt.

HF-Messungen mit einem Port (S11) wurden an der SAPIN-Diode zwischen Anode, Schirm und geerdeter Kathode durchgeführt. Die größte Sorge galt der kapazitiven Belastung der Abschirmung von Anode und Kathode, da auch die Abschirmung geerdet war. Die Vorrichtungen wurden auf einen Metallträger epoxidiert, und eine Bodensignal-(G-S)-Sonde von GGB Industries wurde verwendet, um S11 von 50 MHz bis 2 GHz zu messen.

Die Figuren 7 und 8 zeigen S11 bei einem Diodenstrom von 2 mA und ein gemessenes S11 bei einer Vorwärtsspannung von jeweils 10 µA. Wie man sieht, gibt es einen dramatischen Unterschied zwischen den äquivalenten Eingangskapazitäten bei den beiden Betriebsströmen. Bei 2 mA, C = 34 pF und 4,1 pF bei 50 MHz bzw. 2 GHz. Bei 10 µA, C = 1,4 pF bei 50 MHz und 0,35 pF bei 2 GHz. Die Frequenzabhängigkeit der Kapazität wird durch die Trägerlebensdauer und die verteilte Beschaffenheit der SAPIN beeinflusst (siehe Abb. 5).

7. Dargestellt ist S11 mit einem Diodenstrom von 2 mA und geerdetem Schirm.

8. Dies ist S11 mit einer Vorwärtsspannung von 10 µA und geerdeter Abschirmung.

Eine direkte Erdung des Schirms wäre bei höheren Strömen eine Katastrophe, und die SAPIN wäre kein brauchbares Gerät. Beachten Sie, dass bei niedrigen Strömen ein großer ohmscher Anteil der Eingangsimpedanz vorhanden ist. Bei hohen Strömen ist RS ein sehr kleiner Wert. Ein Aspekt, der in Ref. 1 löst das Ladeproblem. Abbildung 9 zeigt die Lösung.

9. Hier wird ein externer Kondensator vom Schirm zur Erde geschaltet.

Ein kleiner externer Kondensator von etwa 0,3 pF, genannt Ciso, kann direkt mit dem Schirm gegen Masse verbunden werden. Bei hohen Strömen würde Ciso wie ein Shuntkondensator gegen Erde aussehen, und im Vergleich zu 50 Ω wäre dies eine relativ hohe Impedanz, die die Schaltung nicht wesentlich beeinflusst. Bei niedrigem Strom ist Ciso in Reihe mit einer kleinen Kapazität. Dieses große Serienwiderstandsbauteil wäre daher nicht schädlich für die Leistung der Schaltung. Bei niedrigen Strömen bewirkt Ciso jedoch eine effektive Reduzierung der Randkapazität (Abb. 4, rechts).

Für Zweitortmessungen, bei denen die Anoden- und Kathodenanschlüsse untersucht wurden, wurde die SAPIN in einem SOT3-Gehäuse mit einem externen Ciso von 0,3 pF montiert. Abbildung 10 zeigt die S21-Messung mit 1 mA DC-Biasstrom. Der berechnete Serienwiderstand liegt bei 175 Ω.

10. Mit dem in einem SOT3-Gehäuse montierten SAPIN und einer externen Kapazität von 0,3 pF wurde S21 mit 1 mA Gleichstrom und einem berechneten Serienwiderstand von ca. 175 Ω gemessen.

In Abbildung 11 ist RS auf 1,25 kΩ eingestellt. Ein RS-Wert von 6,3 kΩ für einen variablen Rückkopplungswiderstand wird für eine Transimpedanzverstärkeranwendung benötigt.2Abbildung 12 zeigt das gemessene S21 bei 6,3 kΩ, zusammen mit den überlagerten Elementen des Advanced Design System (ADS) für die Best-Fit-Simulation. Der äquivalente Kondensator über dem 6,3-kΩ-Widerstand beträgt 3,4 fF und zeigt eine RC-3-dB-Frequenz von 7,2 GHz an.

11. RS wurde für diese Messung auf 25 kΩ eingestellt.

12. Dies ist der gemessene S21 mit RS gleich 6,3 kΩ.

Bei 0 Vdc wurde der Gerätestrom auf 0 mA eingestellt. Abbildung 13 veranschaulicht die resultierende "OFF"-Isolation der SAPIN-Diode mit den besten Widerstands- und Kondensatorwerten von 25 kΩ und 3,4 fF.

13. Angezeigt wird die "OFF"-Isolation der SAPIN.

Zum Vergleich: Eine PIN-Diode des Industriestandards SMP1307 wurde bei 6.3 kΩ gemessen. Abbildung 14 zeigt die S21-Antwort mit zwei Anschlüssen, die zu einem RC-Modell mit 6,5 kΩ und 175 fF führt. Die 3-DB-Bandbreite bei Verwendung dieses Geräts als Widerstand würde nur etwa 144 MHz betragen. In Abbildung 15 befindet sich S21 im Isolierfall "OFF" mit 0 Vdc und I = 0 mA. Die äquivalente RC-Passung für Klumpenelemente ist 175 fF/25 kΩ.

14. Dies ist der S21 einer SMP1307 Dämpfungs-PIN-Diode mit RS gleich 6,5 kΩ.

15. Die "OFF"-Isolation des SMP1307 wird offenbart.

Schlussfolgerungen

Gerätesimulationen zeigen eine drastische Verbesserung der Geräteleistung durch Hinzufügen der Abschirmung - aber nicht so sehr wie eine 50fache Verbesserung. Wir vermuten, dass es aufgrund der verteilten Beschaffenheit der SAPIN-Vorrichtung eine zusätzliche Dämpfung gibt, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Eine verteilte Schaltung mit überlappenden Elementen kann helfen, das Breitbandverhalten der SAPIN zu erklären (Abb. 16). Es kann in ähnlicher Weise wie die alten Oszilloskop-Sonden-Kompensationsnetze betrachtet werden. Es gibt eine Spannungsteilung mit den Widerständen und Kapazitäten zusammen mit den Quell- und Lastimpedanzen von 50-Ω.

16. Diese Schaltungsdarstellung kann einen Einblick in die Breitbandleistung der SAPIN geben.

Es müssen Arbeiten durchgeführt werden, um die genauen Details der Gerätebedienung besser zu verstehen. Darüber hinaus wird in Zukunft daran gearbeitet, den Kompensationskondensator Ciso in den Cox-Kondensator zwischen Schildelektrode und Siliziumoberfläche zu integrieren. Da es jetzt für Oxiddickentoxizität von etwa 800 A steht, liegt der Wert von Cox im Bereich von 100 pF. Durch die Vereinfachung der Kondensatoren kann der Schirm direkt geerdet werden.