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El diodo de ánodo blindado PIN da nueva vida a una tecnología de los años 50
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Se dice que un nuevo concepto de diodo PIN logra de 10 a 50 veces mejor aislamiento que un diodo PIN típico.
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El diodo RF PIN, tal y como lo conocemos hoy en día, fue inventado por J. Nishizawa en 1950. Ahora, casi 70 años después, ha surgido un nuevo concepto de diodo PIN: el diodo PIN de ánodo blindado (SAPIN). Este nuevo diodo PIN ofrece un aislamiento "OFF" de 10 a 50 veces mejor gracias a la introducción de una simple pantalla electrostática. Un aislamiento "OFF" superior a 40 dB a 2 GHz y 0 Vcc se consigue con un solo dispositivo de serie. La teoría de la operación será presentada aquí junto con las medidas en didoes fabricados de silicona (Si) SAPIN.
Operación del diodo PIN
Un diodo PIN se construye con un semiconductor intrínseco (i-región) ancho no dopado, generalmente Si o arseniuro de galio (GaAs). La i-región está situada entre el ánodo p+ y el cátodo n+. Ambos están conectados a un metal conductor como el oro o el aluminio
1. El ánodo y el cátodo están conectados a un metal conductor.
A diferencia de los diodos convencionales, la amplia región en i permite que el diodo PIN funcione como un interruptor de RF rápido o como una resistencia lineal controlada por corriente. Cuando se inclina hacia adelante, el diodo PIN funciona en una condición de inyección de alto nivel. A bajas frecuencias, los diodos PIN se comportan como un diodo normal y siguen las mismas ecuaciones básicas para corriente (I) versus voltaje (V).
A bajas frecuencias muy por debajo de la vida útil de la portadora τ, la carga puede ser barrida y el diodo se apaga A altas frecuencias, no hay tiempo suficiente para barrer las portadoras de la i-región y los diodos permanecen encendidos La resistencia de la serie ac, Rs, viene dada por:
30G-EQUATION.png
dónde:
τ = vida útil del portador en i-región (aproximadamente 1 µs para Si, 10 ns para GaAs)
P = Ifτ
W = anchura de la región en i (unos 5 µm para los interruptores, 200 µm para los atenuadores de CATV)
Si = corriente de predisposición hacia adelante
µn = movilidad de electrones
µn = movilidad de los orificios
La figura 2 muestra un circuito equivalente de RF simplificado para un diodo RF PIN. La resistencia en serie, RS, ya estaba dada. Los diodos PIN para la conmutación RF suelen tener un RS de 10 Ω a una corriente estática de 1 mA hacia delante. Para aplicaciones de atenuación lineal, RS es típicamente 75 Ω La inductancia de la serie de parásitos, Ls, representa la inductancia del cable de unión y del conductor del paquete. El valor de Ls suele ser de alrededor de 1 nH.
2. Este es un circuito equivalente de RF simplificado para un diodo PIN.
El condensador Cj del ánodo al cátodo se debe a la capacitancia de unión y flecos dentro del diodo PIN. Esta capacitancia es un parásito no deseado. En los interruptores de RF y circuitos atenuadores, un buen aislamiento es importante pero difícil de lograr. En última instancia, el mejor aislamiento está limitado por la magnitud de Cj.
Bajo un sesgo de cero, la región de agotamiento en un diodo PIN normalmente se extenderá toda la distancia a través de la i-región hasta el cátodo debido a la naturaleza no dopada de la i-región. Bajo el sesgo cero, las líneas de campo electrostático se extenderán desde el ánodo hasta el cátodo
3. Las líneas de campo y los campos de fring se muestran en esta ilustración.
La Figura 3 muestra las líneas de campo que se considerarían según la fórmula de capacitancia de la placa paralela, así como las líneas de campo que bordean al cátodo conectado a tierra que se muestra a continuación. La capacitancia total de los campos de franja extra puede ser mucho mayor que la de la capacitancia de la placa paralela sola.
El diodo SAPIN
La Figura 4 muestra la vista superior de SAPIN y un dibujo simplificado de la sección transversal del diodo de SAPIN.1 Como un diodo PIN normal, el dispositivo tiene un ánodo p+, una i-región sin dopar y una conexión de cátodo n+. (Normalmente el cátodo es la parte posterior del dispositivo para una buena conexión a tierra, pero el ánodo y el cátodo pueden ser intercambiables.)
Un nuevo terminal de blindaje hecho de metal sobre un aislante se agrega alrededor del ánodo, que en este caso es SiO2. Este escudo tiene poco efecto en las características dc RS de la acción del diodo PIN. Con 0 Vcc aplicado al ánodo, parte de las líneas de campo electrostático se alejan del cátodo; en cambio, se termina en el nuevo terminal de blindaje.
Las simulaciones de dispositivos 3D demuestran que el valor de Cj puede reducirse en más de dos o tres veces el valor total, lo que mejora drásticamente el aislamiento del dispositivo. El funcionamiento real de SAPIN es mucho más complicado de lo que indica el dibujo electrostático simplificado. La Figura 5 muestra un SAPIN encendido que está operando a bajas corrientes (aproximadamente de 10 µA a 1 mA). Una red RC distribuida simple ha demostrado ser una descripción aproximada del modelo de la operación de SAPIN. La operación real es muy difícil de modelar debido a la naturaleza distribuida de los parásitos, así como a la vida útil variable del portador.
5. El acoplamiento parasitario existe entre el escudo y el ánodo, así como entre el escudo y el cátodo.
Como se puede determinar directamente de la Figura 5, el acoplamiento parasitario ocurrirá entre el escudo (S) y el ánodo y entre el escudo y el cátodo. Las mediciones directas son las que mejor permiten comprender y modelar el dispositivo real.
Mediciones de Diodos SAPIN
La Figura 6 muestra un SAPIN fabricado. El dispositivo fue hecho usando obleas de Si de 4 pulgadas con resistividad mayor a 3000 Ω-cm. El tamaño de la matriz es de 350 × 350 µm con un espesor de i-región que varía de 250 a 375 µm. Estos dispositivos están diseñados para aplicaciones de atenuación de RF.
6. Se muestra un SAPIN fabricado.
El ánodo, cátodo y la metalización del escudo son de aluminio. Se determinó que la vida útil efectiva medida en las muestras de obleas y troqueles de Si era de aproximadamente 1,5 µs.
Se realizaron mediciones de RF de un puerto (S11) en el diodo SAPIN entre el ánodo, el blindaje y el cátodo conectado a tierra. La mayor preocupación se refería a la carga capacitiva del escudo en el ánodo y el cátodo, ya que el escudo también estaba conectado a tierra. Los dispositivos se epoxied a una portadora de metal, y una sonda de señal de tierra (G-S) de GGB Industries se utilizó para medir S11 de 50 MHz a 2 GHz.
Las Figuras 7 y 8 muestran S11 con una corriente de diodo de 2 mA, y un S11 medido con un sesgo de avance de 10 µA, respectivamente. Como se puede ver, hay una diferencia dramática entre las capacitancias de entrada equivalentes en las dos corrientes de operación. A 2 mA, C = 34 pF y 4,1 pF a 50 MHz y 2 GHz, respectivamente. A 10 µA, C = 1,4 pF a 50 MHz y 0,35 pF a 2 GHz. La dependencia de frecuencia de la capacitancia se ve afectada por la vida útil de la portadora y la naturaleza distribuida del SAPIN (Fig. 5, nuevamente).
7. Se muestra S11 con una corriente de diodo de 2 mA y la pantalla conectada a tierra.
8. Se trata de un S11 con un sesgo hacia adelante de 10 µA y apantallado conectado a tierra.
La puesta a tierra directa del escudo sería un desastre con corrientes más altas, y el SAPIN no sería un dispositivo utilizable. Observe que a bajas corrientes, hay un gran componente resistivo a la impedancia de entrada. A altas corrientes, RS es un valor muy pequeño. Un aspecto discutido en Ref. 1 soluciona el problema de carga. La figura 9 muestra la solución.
9. Aquí se conecta un condensador externo desde el blindaje a tierra.
Un pequeño condensador externo de aproximadamente 0,3 pF, apodado Ciso, puede conectarse directamente a la pantalla a tierra. A altas corrientes, Ciso parecería un condensador en derivación a tierra, y comparado con 50 Ω, sería una impedancia relativamente alta que no afecta significativamente al circuito. A baja corriente, el Ciso está en serie con una pequeña capacitancia. Por lo tanto, este componente de gran resistencia en serie no perjudicaría el rendimiento del circuito. Sin embargo, a bajas corrientes, Ciso producirá una reducción efectiva de la capacitancia de la franja (Fig. 4, derecha).
Para las mediciones de dos puertos que miran en los terminales de ánodo y cátodo, SAPIN se ensambló en un paquete SOT3 con un Ciso externo de 0.3 pF. La figura 10 muestra la medición S21 con 1 mA de corriente de polarización continua. La resistencia calculada en serie es de aproximadamente 175 Ω
10. Con el SAPIN ensamblado en un paquete SOT3 y con una capacitancia externa de 0.3 pF, el S21 se midió con 1 mA de corriente de polarización continua y una resistencia en serie calculada de aproximadamente 175 Ω
En la Figura 11, RS está ajustado a 1.25 kΩ. Se necesita un valor RS de 6.3 kΩ para una resistencia de realimentación variable para una aplicación de amplificador de transimpedancia.2 La figura 12 muestra el S21 medido en 6.3 kΩ, junto con los elementos agrupados del Sistema de Diseño Avanzado (ADS) para la simulación de mejor ajuste. El condensador equivalente a través de la resistencia 6.3-kΩ es de 3.4 fF, indicando una frecuencia RC 3-db de 7.2 GHz.
11. Para esta medición, el valor de RS se fijó en 25 kΩ
12. Este es el S21 medido con RS igual a 6.3 kΩ.
Con 0 Vcc, la corriente del dispositivo se ajustaba a 0 mA. La Figura 13 ilustra el aislamiento "OFF" resultante exhibido por el diodo SAPIN con los mejores valores de resistencia y condensador de 25 kΩ y 3.4 fF.
13. Se muestra el aislamiento "OFF" del SAPIN.
Para comparar, se midió un diodo atenuador PIN SMP1307 estándar de la industria en 6.3 kΩ La Figura 14 muestra la respuesta S21 de dos puertos que resulta en un modelo RC de mejor ajuste de 6.5 kΩ y 175 fF. El ancho de banda de 3-db cuando se utiliza este dispositivo como un resistor sólo sería de unos 144 MHz. En la Figura 15, S21 se encuentra en la caja de aislamiento "OFF" con 0 Vcc e I = 0 mA. El ajuste equivalente de los elementos de RC es 175 fF/25 kΩ.
14. Este es el S21 de un diodo PIN atenuador SMP1307 con RS igual a 6.5 kΩ.
15. Se revela el aislamiento "OFF" del SMP1307.
4. Conclusiones
Las simulaciones de dispositivos muestran una mejora drástica en el rendimiento del dispositivo con la adición del escudo, pero no tanto como una mejora de 50×. Sospechamos que hay atenuación adicional debido a la naturaleza distribuida del dispositivo SAPIN como se muestra en la Figura 5.
Un circuito distribuido de elementos agrupados puede ayudar a explicar el comportamiento de la banda ancha de SAPIN (Fig. 16). Puede pensarse de manera similar a las antiguas redes de compensación de sondas de osciloscopios. Hay una división de voltaje con las resistencias y capacitancias junto con la fuente 50-Ω y las impedancias de carga.
16. Esta representación de circuito puede proporcionar información sobre el desempeño de banda ancha de SAPIN.
Es necesario trabajar para comprender mejor los detalles exactos del funcionamiento del dispositivo. Además, en el futuro se intentará integrar el condensador de compensación Ciso en el condensador Cox entre el electrodo de blindaje y la superficie de silicio. En la actualidad, con un espesor de óxido de aproximadamente 800 A, el valor de Cox se encuentra en el rango de 100 pF. La simplificación de los condensadores permitirá que el blindaje se conecte a tierra directamente.