使用二極體進行設計：為何選擇 AlGaAs？

開關和衰減器等 RF 和微波控制裝置運用 PIN 二極體等固態控制元件的紀錄已長達數十年。PIN 二極體可當作電荷控制式可變 RF 電阻，能產生低插入損耗、強大的隔離能力，以及絕佳的功率處理能力與線性度，因此在許多情況下比任何場效電晶體的表現更優異。PIN 二極體提供的阻抗值範圍可高達 50 或 60，其極限值已接近開路與短路。

PIN 二極體能與傳輸線路串聯或並聯，例如微帶、共面式波導等。串聯時，PIN 二極體的電阻值和電容量分別會決定插入損耗和隔離性，在並聯，則互相顛倒。

(圖片來源：MACOM Technology Solutions)

PIN 二極體屬於三層式元件，組成項目如下：

• 陽極 - 受體摻雜式 (p 型) P 層
• 未摻雜式 (本質) I 層
• 陰極 - 施體摻雜式 (n 型) N 層

將此結構當作直圓柱形區段進行粗估時，可以看到當 PIN 二極體未導通時，接面面積和 I 層的厚度會決定二極體的電容量 (C)，而當二極體施加偏壓進行導通時，這兩者則會決定二極體的串聯電阻 (R)，依據的基本方程式如下：

I 層 (e) 的介電常數和電阻率 (r)，取決於二極體組成材料的類型。I 層的厚度又稱為長度 (l)，會決定或影響幾個效能參數，包括二極體的電容量、二極體的電阻值、二極體的突崩潰電壓，以及產生的諧波失真等等。二極體接面的面積主要會影響 C 和 R。

在電子產品設計實務中，免不了要折衷。當 PIN 二極體的使用頻率增加時，所需的二極體電容量必須較小，才能達到令人滿意的效能。這主要是透過縮小接面面積達成。但降低電容量的代價是串聯電阻值會隨之增加，導致串聯應用的插入損耗增加，或造成並聯應用的隔離度降低。除了增加 I 層厚度以外，設計工程師其實已無計可施，但增加厚度也會導致串聯電阻值提高。

根據二極體的半導體物理特性，也可以定義串聯電阻值。

其中 l 是 I 層的厚度，µ_amb 是注入 I 層之電荷載子的雙極性遷移率，而 Q 代表注入 I 層的自由電荷載子數量。

當頻率的增加導致 Si µ_amb 產生的串聯電阻值太大時，便會採用 µ_amb 值更大的材料，例如砷化鎵 (GaAs)。在毫米波 (mmW) 應用中，即使 GaAs 的 µ_amb 值更大，還是有缺點。

為了在毫米波頻率下達到更佳電阻值和更低電容量的需求，MACOM 使用新型的砷化鋁鎵 (AlGaAs) 結構，開發出異質接面 PIN 二極體開關，以因應 GaAs 和 Si PIN 二極體的限制。AlGaAs PIN 二極體也是三層式二極體，但很大的差別是，在二極體的陽極層中使用鋁 (Al) 當作 p 型摻雜劑。二極體的 I 層和 N 層皆是由 GaAs 組成。相對於 GaAs PIN 結構，在陽極層添加鋁可增加二極體接面的能隙。當二極體處於順向偏壓時，此差異會導致電洞更難從 I 層擴散回 P 層，因此會讓 I 層中的自由電荷載子數量 (Q) 增加。I 層中順向偏壓電荷載子量增加，會降低 AlGaAs PIN 二極體的串聯電阻值，而且不會影響二極體的逆向偏壓效能。

如此一來，之前必須不得不採取折衷就可省略，對於具有相同 I 層長度和相同電阻值的 AlGaAs PIN 二極體和 GaAs PIN 二極體，AlGaAs PIN 二極體可以達到更小的接面面積及較低的接面電容量，進而提升電路效能。

詞彙表：

陽極：摻雜了受體原子的二極體層。

突崩潰電壓／崩潰電壓：指定大小的逆電流 (一般為 10 µA) 流通時的逆向偏壓。突崩潰電壓的符號為 V_BR 或 V_B。

陰極：摻雜了施體原子的二極體層。

二極體：一種雙端子被動電子元件，通常具有整流能力。

摻雜劑：一種添加至半導體材料以達到需求效果的外來物質。例如，受體原子材料就是摻雜劑的一種，可添加至半導體以形成陽極層。

順向偏壓：施加到整流半導體二極體陽極的電壓，相對於陰極為負的狀態。

插入損耗：當某個元件或其他結構插入到傳輸線時，傳輸的功率會減少，此現象即稱為插入損耗，一般以分貝為單位。當損耗量預期很小時會使用此詞彙表示。

隔離：由元件產生的插入損耗，一般以分貝為單位。當插入損耗量預期較大時會以此詞彙表示。

本質層「I 層」：PIN 二極體層，其摻雜濃度一般被視為半導體的原生狀態。在 PIN 二極體中，本質層施體原子的摻雜濃度，通常比陰極層的摻雜濃度低好幾個數量級。

PIN 二極體：一種三層式半導體二極體。中央層本質上有摻雜 (l 層)，而且介於高摻雜受體原子的 P 層以及高摻雜施體原子的 N 層之間。

串聯電阻 "RS"：在構成並聯電路的半導體接面中，電流流動的阻力。串聯電阻的符號為 R_S。

開關：此元件屬於傳輸媒介，可允許或預防訊號在兩點之間傳播。

逆向偏壓：施加到整流半導體二極體陽極的電壓，相對於陰極為正的狀態。