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#Tendances produits
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La diode PIN à anode blindée insuffle une nouvelle vie à une technologie des années 1950
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On dit qu'un nouveau concept de diode PIN permet d'obtenir une isolation 10 à 50 fois supérieure à celle d'une diode PIN classique.
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La diode PIN RF telle que nous la connaissons aujourd'hui a été inventée par J. Nishizawa en 1950. Aujourd'hui, près de 70 ans plus tard, un nouveau concept de diode PIN - la diode PIN à anode blindée (SAPIN) - a vu le jour. Cette nouvelle diode PIN offre une isolation "OFF" 10 à 50 fois meilleure grâce à l'introduction d'un simple blindage électrostatique. Une isolation "OFF" supérieure à 40 dB à 2 GHz et 0 Vdc est obtenue à partir d'un seul appareil série. La théorie du fonctionnement sera présentée ici avec des mesures sur des didoes SAPIN en silicium (Si) fabriqué.
Fonctionnement de la diode PIN
Une diode PIN est construite avec un large semi-conducteur intrinsèque non dopé (région i), généralement du Si ou de l'arséniure de gallium (GaAs). La région i est prise en sandwich entre l'anode p+ et la cathode n+. Les deux sont reliés à un métal conducteur comme l'or ou l'aluminium
1. L'anode et la cathode sont toutes deux reliées à un métal conducteur.
Contrairement aux diodes conventionnelles, la large zone i permet à la diode PIN de fonctionner comme un commutateur RF rapide ou une résistance linéaire commandée en courant. Lorsqu'elle est polarisée vers l'avant, la diode PIN fonctionne dans des conditions d'injection de haut niveau. Aux basses fréquences, les diodes PIN se comportent comme une diode normale et suivent les mêmes équations de base pour le courant (I) et la tension (V).
A des fréquences basses bien en dessous de la durée de vie de la porteuse τ, la charge peut être balayée et la diode s'éteint Dans les hautes fréquences, il n'y a pas assez de temps pour balayer les porteuses hors de la région i et les diodes restent allumées La résistance de la série AC, Rs, est donnée par :
30G-EQUATION.png
où :
τ = durée de vie de la porteuse dans la région i (environ 1 µs pour Si, 10 ns pour GaAs)
Q = Ifτ
W = largeur de la zone i (environ 5 µm pour les interrupteurs, 200 µm pour les atténuateurs CATV)
Si = courant de polarisation vers l'avant
µn = mobilité des électrons
µn = mobilité du trou
La figure 2 montre un circuit équivalent RF simplifié pour une diode PIN RF. La résistance en série, RS, était déjà donnée. Les diodes PIN pour la commutation RF ont généralement un RS de 10 Ω à 1 mA de courant de repos avant. Pour les applications d'atténuateurs linéaires, RS est typiquement 75 Ω. L'inductance de la série parasite, Ls, représente l'inductance du fil de liaison et de l'enveloppe. La valeur de Ls est généralement d'environ 1 nH.
2. Il s'agit d'un circuit équivalent RF simplifié pour une diode PIN.
Le condensateur Cj de l'anode à la cathode est dû à la capacité de jonction et de frange de la diode PIN. Cette capacité est un parasite indésirable. Dans les commutateurs RF et les circuits atténuateurs, une bonne isolation est importante mais difficile à atteindre. En fin de compte, la meilleure isolation est limitée par la magnitude de Cj.
Dans le cas d'une polarisation nulle, la zone d'appauvrissement d'une diode PIN s'étend généralement sur toute la distance entre la région i et la cathode, en raison de la nature non dopée de la région i. Dans le cas d'une polarisation nulle, les lignes de champ électrostatique s'étendent de l'anode à la cathode
3. Les lignes de champ et les champs marginaux sont montrés dans cette illustration.
La figure 3 montre les lignes de champ qui seraient considérées selon la formule de capacité à plaques parallèles, ainsi que les lignes de champ frangeantes à la cathode mise à la terre ci-dessous. La capacité totale des champs de franges supplémentaires peut être beaucoup plus grande que celle de la seule capacité à plaques parallèles.
La diode SAPIN
La figure 4 montre la vue de dessus du SAPIN et un schéma de coupe simplifié de la diode SAPIN.1 Comme une diode PIN normale, l'appareil possède une anode p+, une région i non dopée et une connexion n+ cathode. (Normalement, la cathode est la face arrière de l'appareil pour une bonne connexion à la terre, mais l'anode et la cathode peuvent être interchangeables.)
Une nouvelle borne de blindage en métal sur isolant est ajoutée autour de l'anode, en l'occurrence en SiO2. Ce blindage a peu d'effet sur les caractéristiques RS c.c. de l'action de la diode PIN. Avec 0 Vdc appliqué à l'anode, une partie des lignes de champ électrostatique est tirée loin de la cathode ; au lieu de cela, elle est terminée sur la nouvelle borne de blindage.
Les simulations de dispositifs 3D démontrent que la valeur de Cj peut être réduite de plus de deux à trois fois la valeur totale, ce qui améliore considérablement l'isolation du dispositif. Le fonctionnement réel du SAPIN est beaucoup plus compliqué que ce qu'indique le dessin électrostatique simplifié. La figure 5 montre une SAPIN activée qui fonctionne à de faibles courants (environ 10 µA à 1 mA). Un simple réseau RC distribué s'est avéré être une description approximative du fonctionnement du SAPIN. L'opération réelle est très difficile à modéliser en raison de la nature distribuée des parasites, ainsi que de la durée de vie variable des porteurs.
5. Il existe un couplage parasite entre le blindage et l'anode ainsi qu'entre le blindage et la cathode.
Comme on peut le déterminer directement à partir de la figure 5, il y aura couplage parasite entre le blindage (S) et l'anode et entre le blindage et la cathode. Les mesures directes permettront de mieux comprendre et modéliser l'appareil réel.
Mesures de diodes SAPIN
La figure 6 montre une SAPIN fabriquée. L'appareil a été fabriqué à partir de plaquettes de silicium de 4 pouces ayant une résistivité supérieure à 3000 Ω-cm. La taille de la matrice est de 350 × 350 µm et l'épaisseur de la région i varie de 250 à 375 µm. Ces appareils sont adaptés aux applications d'atténuateurs RF.
6. L'illustration montre une SAPIN fabriquée.
L'anode, la cathode et la métallisation du blindage sont en aluminium. La durée de vie effective mesurée de la porteuse sur les échantillons de plaquettes et de matrices de silicium a été d'environ 1,5 µs.
Des mesures RF à un port (S11) ont été effectuées sur la diode SAPIN entre l'anode, le blindage et la cathode mise à la terre. La plus grande préoccupation concernait la charge capacitive du blindage sur l'anode et la cathode, puisque le blindage était également mis à la terre. Les dispositifs ont été époxydés sur un support métallique et une sonde de signal au sol (G-S) de GGB Industries a été utilisée pour mesurer S11 de 50 MHz à 2 GHz.
Les figures 7 et 8 montrent S11 à un courant de diode de 2 mA, et un S11 mesuré à une polarisation vers l'avant de 10 µA, respectivement. Comme on peut le constater, il y a une différence considérable entre les capacités d'entrée équivalentes aux deux courants de fonctionnement. 2 mA, C = 34 pF et 4,1 pF à 50 MHz et 2 GHz, respectivement. 10 µA, C = 1,4 pF à 50 MHz et 0,35 pF à 2 GHz. La dépendance en fréquence de la capacité est influencée par la durée de vie de la porteuse et la nature distribuée du SAPIN (Fig. 5, encore une fois).
7. L'illustration montre S11 avec un courant de diode de 2 mA et un blindage mis à la terre.
8. Il s'agit de S11 avec une polarisation vers l'avant de 10 µA et un blindage mis à la terre.
La mise à la terre directe du bouclier serait un désastre à des courants plus élevés, et le SAPIN ne serait pas un dispositif utilisable. Notez qu'à faibles courants, l'impédance d'entrée comporte une grande composante résistive. Pour des courants élevés, RS est une valeur très faible. Un aspect abordé dans la Réf. 1 résout le problème de chargement. La figure 9 illustre la solution.
9. Ici, un condensateur externe est connecté du blindage à la terre.
Un petit condensateur externe d'environ 0,3 pF, appelé Ciso, peut être connecté directement au blindage à la terre. À des courants élevés, Ciso ressemblerait à un condensateur de shunt à la terre, et par rapport à 50 Ω, serait une impédance relativement élevée qui n'affecte pas de manière significative le circuit. A faible courant, Ciso est en série avec une faible capacité. Cette importante composante de résistance en série ne serait donc pas préjudiciable à la performance du circuit. Avec de faibles courants, cependant, Ciso produira une réduction efficace de la capacité de frange (Fig. 4, à droite).
Pour les mesures à deux ports dans les bornes de l'anode et de la cathode, le SAPIN a été assemblé dans un boîtier SOT3 avec un Ciso externe de 0,3 pF. La figure 10 montre la mesure S21 avec 1 mA de courant de polarisation continu. La résistance en série calculée est d'environ 175 Ω
10. Avec le SAPIN assemblé dans un boîtier SOT3 et avec une capacité externe de 0,3 pF, S21 a été mesuré avec 1 mA de courant continu de polarisation et une résistance en série calculée d'environ 175 Ω.
Dans la Figure 11, RS est réglé à 1,25 kΩ. Une valeur RS de 6,3 kΩ pour une résistance de rétroaction variable est nécessaire pour une application d'amplificateur à transimpédance.2 La figure 12 montre la S21 mesurée à 6,3 kΩ, ainsi que les éléments lumpés Advanced Design System (ADS) pour une simulation optimale. Le condensateur équivalent à travers la résistance 6.3-kΩ est de 3,4 fF, indiquant une fréquence RC 3-db de 7,2 GHz.
11. RS a été réglé sur 25 kΩ pour cette mesure.
12. Il s'agit de la S21 mesurée avec RS égale à 6,3 kΩ.
Avec 0 Vcc, le courant de l'appareil était réglé sur 0 mA. La figure 13 illustre l'isolation "OFF" obtenue par la diode SAPIN avec les valeurs de résistance et de condensateur les mieux adaptées de 25 kΩ et 3,4 fF.
13. L'isolation "OFF" de la SAPIN est montrée.
A titre de comparaison, une diode PIN d'atténuateur SMP1307 standard de l'industrie a été mesurée à 6.3 kΩ. La Figure 14 montre la réponse S21 à deux ports qui donne un modèle RC le mieux adapté de 6,5 kΩ et 175 fF. La bande passante de 3 dB lorsque cet appareil est utilisé comme résistance ne serait que d'environ 144 MHz. Sur la figure 15, S21 se trouve dans le boîtier d'isolation "OFF" avec 0 Vdc et I = 0 mA. L'ajustement équivalent d'un élément à bosses RC est de 175 fF/25 kΩ.
14. Il s'agit de la S21 d'une diode PIN d'atténuateur SMP1307 avec RS égale à 6,5 kΩ.
15. L'isolation "OFF" du SMP1307 est révélée.
Conclusions
Les simulations d'appareils montrent une amélioration spectaculaire des performances de l'appareil avec l'ajout du bouclier - mais pas jusqu'à 50 fois plus. Nous soupçonnons qu'il y a une atténuation supplémentaire due à la nature distribuée du dispositif SAPIN, comme le montre la Figure 5.
Un circuit distribué à éléments en morceaux peut aider à expliquer le comportement à large bande de SAPIN (Fig. 16). On peut le considérer de la même manière que les anciens réseaux de compensation des sondes d'oscilloscopes. Il y a une division de tension avec les résistances et les capacités ainsi que les impédances de source et de charge 50-Ω.
16. Cette représentation de circuit peut donner un aperçu de la performance à large bande du SAPIN.
Des travaux doivent être effectués pour mieux comprendre les détails exacts du fonctionnement de l'appareil. En outre, les travaux futurs porteront sur l'intégration du condensateur de compensation Ciso dans le condensateur Cox entre l'électrode de blindage et la surface de silicium. Comme il s'agit maintenant d'un oxyde toxique d'une épaisseur d'environ 800 A, la valeur de Cox est de l'ordre de 100 pF. Simplifier les condensateurs permettra de mettre le blindage directement à la terre.