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使用二极管进行设计：为什么选择 AlGaAs？

作者： MACOM Technology Solutions 2020-08-27

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几十年来，PIN 二极管等固态控制元器件一直用于射频和微波控制器件，如开关和衰减器。PIN 二极管充当电荷控制的可变射频电阻，提供低插入损耗、大隔离度、优异的功率容量和出色的线性度，在很多情况下优于任何场效应晶体管。PIN 二极管提供的阻抗范围可高达 50 或 60，其极值近似于开路和短路。

PIN 二极管可以与传输线（如微带线、共面波导等）串联或并联。对于串联连接，PIN 二极管的电阻和电容分别决定插入损耗和隔离度，对于并联连接，则相反。

（图片来源: MACOM Technology Solutions）

PIN 二极管是一款 3 层器件，包含：

阳极，受主掺杂的（p 型）P 层
未掺杂的（固有）I 层
阴极，施主掺杂的（n 型）N 层

当以正圆柱体截面来大致表示此结构时，我们可以看到结面积和 I 层的厚度决定 PIN 二极管不导通时的电容 (C)，以及对二极管施加偏压进行导通时的串联电阻 (R)，其中依据的基本方程如下：

I 层 (e) 的介电常数及其电阻率 (r) 由构成二极管的材料类型决定。I 层的厚度也称为长度 (l)，决定或影响若干性能参数，其中包括二极管的电容、二极管的电阻、二极管的雪崩击穿电压和产生的谐波失真。二极管结的面积主要影响 C 和 R。

在电子设计实践中，不可避免地要进行权衡取舍。随着 PIN 二极管的使用频率增加，所需的二极管电容必须更小，才能实现可接受的性能。这主要通过减少结的面积来实现。电容减小以串联电阻的相应增加为代价，这会导致串联应用的插入损耗增加，或并联应用的隔离度降低。除了增加 I 层的厚度（同时会产生更大的串联电阻）外，设计工程师别无选择。

串联电阻也可以根据二极管的半导体物理特性来定义。

其中 l 是 I 层的厚度，µ_amb 是注入 I 层中的电荷载流子的双极性迁移率，Q 表示注入 I 层中的自由电荷载流子数。

随着频率增加至 Si 的 µ_amb 产生的串联电阻过大的点，便会采用具有更大 µ_amb 值的材料，如砷化镓 (GaAs)。对于毫米波 (mmW) 应用，即使是较高 µ_amb 值的 GaAs 也存在缺点。

为了应对毫米波频率下对更佳电阻和更低电容的需求，MACOM 开发了采用新型砷化铝镓 (AlGaAs) 结构的异质结 PIN 二极管开关，以解决 GaAs 和 Si PIN 二极管的局限性。AlGaAs PIN 二极管也是三层二极管，但有一个明显的区别：在二极管的阳极层中使用铝 (Al) 作为 p 型掺杂剂。二极管的 I 层和 N 层由 GaAs 组成。相对于 GaAs PIN 的结构，将 Al 添加至阳极层增加了二极管结的带隙。当二极管处于正向偏压状态时，这种差异会产生更大的障碍，阻止空穴从 I 层扩散回 P 层，从而增加 Q 值，即 I 层中自由电荷载流子的数量。I 层中正向偏压电荷载流子数的增加降低了 AlGaAs PIN 二极管的串联电阻，而不改变二极管的反向偏压性能。

最终的结果是，以前不可避免的一种权衡得以放宽：对于 I 层长度和电阻值相同的 AlGaAs PIN 二极管与 GaAs PIN 二极管，AlGaAs PIN 二极管可以做到结面积更小，结电容更低，从而改善电路性能。