다이오드를 통한 설계: AlGaAs를 선택해야 하는 이유

수십 년에 걸쳐, 스위치와 감쇠기 등 RF와 극초단파 제어 장치에는 PIN 다이오드와 같은 무접점 제어 부품이 사용되어 왔습니다. PIN 다이오드는 전하가 제어되는 가변형 RF 저항기의 역할을 수행하여 삽입 손실이 낮고 분리가 크며 전력 처리와 선형성이 뛰어나고 일반적으로 전계 효과 트랜지스터보다 성능이 우수합니다. PIN 다이오드가 제공할 수 있는 임피던스 범위는 50 또는 60배수에 이르며, 양 극단은 개방 회로와 단락 회로에 가깝습니다.

PIN 다이오드는 직렬 또는 마이크로스트립, 동일 평면 도파관 등의 변속기 선과 교대로 배치할 수 있습니다. PIN 다이오드의 저항 및 정전 용량에 따라 직렬연결의 경우 각각 삽입 손실과 분리, 션트 연결의 경우 분리와 삽입 손실이 달라집니다.

(이미지 출처: MACOM Technology Solutions)

PIN 다이오드는 3층으로 구성된 장치로, 구성은 다음과 같습니다.

• 양극: 받개 도핑(p형) P층
• 도핑되지 않은(기본) I층
• 음극: 주개 도핑(n형) N층

이 구조가 우측 원통형 부분과 유사한 경우에는, I층의 접합 면적과 두께에 따라 전도가 이루어지지 않을 때는 기본 방정식에 따라 PIN 다이오드의 정전 용량(C), 바이어스로 인한 전도 상태에서는 다이오드의 직렬 저항(R)이 결정됩니다.

I층의 유전율(e)과 저항률(r)은 다이오드를 구성하는 소재 유형에 따라 결정됩니다. 두께, 즉 I층의 길이(l)에 따라 여러 성능 파라미터, 특히 다이오드의 정전 용량, 다이오드의 저항, 다이오드의 애벌런치 항복 전압, 생성되는 고조파 왜곡이 달라집니다. 다이오드 접합부 면적은 주로 C와 R에 영향을 줍니다.

실제 전자 제품 설계 시에는 트레이드 오프가 불가피합니다. PIN 다이오드가 사용되는 주파수가 높아질수록, 적합한 성능을 구현하려면 다이오드 정전 용량이 작아져야 합니다. 일반적으로 접합부 면적을 줄여 다이오드 정전 용량을 줄이는 방식이 사용되어 왔습니다. 이러한 방식으로 정전 용량을 줄이면 그에 따라 직렬 저항이 증가하여 직렬로 연결된 응용 제품의 경우 삽입 손실이 증가하고 션트로 연결된 응용 제품의 경우 분리가 감소합니다. I층 두께가 증가하지 않으면 직렬 저항이 증가하여 설계 엔지니어가 할 수 있는 일이 없었습니다.

직렬 저항은 다이오드의 반도체 물리적 특성에 따라 달라지기도 합니다.

여기서 l는 I층 두께, µ_amb는 I층에 주입되는 전하 캐리어의 양극 이동성, Q는 I층에 주입되는 자유 전하 캐리어의 양을 나타냅니다.

실리콘에서 생성된 직렬 저항의 µ_amb가 너무 커질 때까지 주파수가 증가했기 때문에 갈륨 비소(GaAs)와 같이 µ_amb 값이 큰 소재가 도입되었습니다. 밀리미터파(mmW) 응용 분야에서는 GaAs의 더 높은 µ_amb 값으로도 부족합니다.

밀리미터파 주파수에서 더 높은 저항과 낮은 정전 용량이 필요한 문제를 해결하기 위해, MACOM에서는 새로운 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs) 구조를 사용하는 이종 접합 PIN 다이오드 스위치를 개발하여 GaAs와 Si PIN 다이오드의 한계를 극복했습니다. AlGaAs PIN 다이오드도 3층 다이오드이지만 중요한 차이가 있습니다. 알루미늄(Al)이 다이오드의 양극 층에서 p형 도펀트로 사용된다는 점입니다. 다이오드의 I층과 N층은 GaAs로 구성됩니다. 양극 층에 Al을 추가하면 GaAs PIN 구조의 밴드갭이 증가함에 따라 다이오드 접합부의 밴드갭이 증가합니다. 이러한 차이로 인해, 다이오드에 순방향 바이어스가 적용되면 홀이 I층에서 P층으로 확산하는 것을 막는 힘이 증가하여 I층의 자유 전하 캐리어의 양인 Q가 증가합니다. 이렇게 I층의 순방향 바이어스 전하 캐리어의 수가 증가하면 AlGaAs PIN 다이오드의 직렬 저항이 감소하며 다이오드의 역방향 바이어스 성능은 변하지 않습니다.

이로 인한 효과는 이전에는 불가피했던 트레이드 오프가 사라졌다는 점입니다. AlGaAs PIN 다이오드와 GaAs PIN 다이오드의 I층 길이와 저항값이 동일하기 때문에 AlGaAs PIN 다이오드의 접합부 면적과 접합 정전 용량이 감소하여 회로 성능이 향상되기 때문입니다.

용어:

양극: 받개 원자로 도핑된 다이오드 층.

애벌런치 항복 전압 / 항복 전압: 특정량의 역전류(보통 10µA)가 흐르는 역방향 바이어스 전압. 애벌런치 항복 전압의 기호는 V_BR 또는 V_B입니다.

음극: 주개 원자로 도핑된 다이오드 층.

다이오드: 2개의 터미널이 있는 수동 전자 장치로, 보통 정류 기능이 있습니다.

도펀트: 원하는 효과를 얻기 위해 반도체 소재에 추가하는 물질. 예를 들어 양극 층을 만들기 위해 반도체에 추가되는 받개 원자 소재가 여기에 속합니다.

순방향 바이어스: 정류 반도체 다이오드의 양극에 인가된 전압이 음극과 다른 상태.

삽입 손실: 변속기 선에 부품이나 다른 구조가 삽입됨으로써 전달되는 전력의 감소량으로, 보통 dB로 나타냅니다. 손실이 작을 것으로 기대되는 경우 사용하는 용어입니다.

분리: 부품으로 인해 발생하는 삽입 손실로, 보통 dB로 나타냅니다. 삽입 손실이 클 것으로 기대되는 경우 사용하는 용어입니다.

기본 층 'I층': 반도체의 기본 상태로 간주되는 도핑 농도의 PIN 다이오드 층. PIN 다이오드에서는 일반적으로 기본 층에 도핑 농도가 음극 층의 도핑 농도에 비해 몇 배로 낮은 주개 원자가 있습니다.

PIN 다이오드: 3개의 층으로 구성된 반도체 다이오드. 중심층은 기본적으로 도핑되어 있으며(l층) 받개 원자의 도핑 농도가 높은 층(P층)과 주개 원자의 도핑 농도가 높은 층(N층) 사이에 위치합니다.

직렬 저항(RS): 접합이 병렬 회로로 나타나는 반도체 접합 전류의 반대 흐름. 직렬 저항의 기호는 R_S입니다.

스위치: 지점 간의 신호 전파를 허용하거나 차단하는 전송 매체 장치.

역방향 바이어스: 정류 반도체 다이오드의 양극에 인가된 전압이 음극과 동일한 상태.