Performance analysis of serial and shunt microwave switches designed with p-i-n diodes of different semiconductor materials

Gabriela Leija Hernández, José Luis López Bonilla*, Luis Alejandro Iturri Hinojosa

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica - Zacatenco, Instituto Politécnico Nacional, Col. La Escalera, C.P. 07738, México D.F.

Resumen

Se presenta un análisis del desempeño de conmutadores de señales microondas tipos serie y paralelo con base en diodos p-i-n de diferentes materiales semiconductores. Los materiales analizados son Si, GaAs, SiC, GaN, InP y GaSb. El conmutador tipo serie diseñado con diodos p-i-n de GaSb, GaAs, Si y GaN-ZB alcanza menores valores de pérdidas de inserción con respecto a diodos de otros materiales. Se percibe una diferencia de 0,2dB aproximadamente entre las respuestas de pérdida de inserción utilizando diodos de GaSb y SiC6H. Las respuestas más óptimas de aislamiento para frecuencias menores a 10 GHz se logra con conmutadores diseñados con diodos p-i-n de SiC y GaN. El conmutador de tipo paralelo diseñado con diodos p-i-n en base a GaN alcanza menores valores de pérdida de inserción respecto a diodos de otros materiales. Se perciben 0,2 dB aproximadamente de diferencia de pérdida de inserción entre las respuestas con diodos p-i-n de GaN y Si, en la frecuencia de 40 GHz, y una diferencia de 0,4 dB en la frecuencia de 60 GHz. Diodos p-i-n diseñados con GaN son los recomendados para el diseño de dispositivos conmutadores tipo paralelo.

Palabras clave: Diodos p-i-n, materiales semiconductores, conmutadores de señales microondas.

Abstract

A performance analysis of serial and shunt microwave switches based on p-i-n diodes of different semiconductor materials is presented. The materials analyzed are Si, GaAs, SiC, GaN, InP and GaSb. The serial type microwave switch designed with GaSb, GaAs, Si and GaN-ZB p-i-n diodes reach the lowest values of insertion losses compared to other materials. A 0.2dB inser­tion loss difference is perceived between GaSb and SiC6H p-i-n diodes. The optimal results of isolation for frequencies less than 10GHz is obtained with switches designed with SiC and GaN p-i-n diodes. The shunt type switches designed with GaN p-i-n diodes reach the lowest values of insertion losses compared to other materials. Approximately 0.2 dB insertion loss differences between the responses of GaN and Si pin diodes in the frequency of 40 GHz and a difference of 0.4 dB at 60 GHz frequency were identified. GaN p-i-n diodes are most recommendable for the design of shunt switch devices.

Keywords: p-i-n diodes, semiconductor materials, microwave switches.

Los circuitos conmutadores de señales microondas tipos serie y paralelo proporcionan el mejor desempeño en banda ancha para los conmutadores de un puerto de entrada-dos puertos de salida (SPDT) [1]. Aplicaciones de gran ancho de banda y elevada potencia como Wi-Fi y WiMAX pueden beneficiarse de conmutadores SPDT con base a diodos p-i-n [2]. También existen propuestas de conmutadores con base en diodo p-i-n para módulos transmisor - receptor (MTR), para la banda ISM sin licencia, donde opera el estándar Bluetooth. Los conmutadores SPDT basados en diodos p-i-n, por su elevado desempeño son ampliamente utilizados en diseños de circuitos de microondas y de RF. Estos conmutadores para ondas milimétricas son muy importantes en el desarrollo de MTRs en los sistemas de comunicaciones [3].

Las aplicaciones más importantes de los diodos p-i-n diseñados con los semiconductores de GaAs, SiC, GaN-WZ (red cristalina Wurtzite), GaN-ZB (red cristalina Zinc Blende), InP y GaSb, son los conmutadores y desplazadores de fase presentes en los arreglos de antenas en fase. Estos dispositivos permiten que los arreglos de antenas cuenten con la característica del control electrónico del haz, y son muy utilizados actualmente en los siguientes sistemas de comunicaciones: radares militares, plataformas de rastreo, aplicaciones comerciales, comunicaciones satelitales de orbita LEO, sistemas receptores satelitales directos (DSS), teléfonos celulares digitales, modems satelitales y de redes inalámbricas LAN [4].

Los circuitos integrados MMIC en base a Arseniuro de Galio (GaAs), hacen posible construir arreglos activos con escaneo electrónico de haz (ESA) de peso ligero, volumen pequeño, elevada confiabilidad y bajo costo. De la misma manera, investigaciones muestran que dispositivos MMIC fabricados con materiales semiconductores de mayor banda prohibida como son: Nitruro de Galio (GaN) y Carburo de Silicio (SiC) permiten aumentar la potencia de los módulos transmisor - receptor (MTR) al doble. Reemplazando los MTR de GaAs por MTR de GaN o SiC, es decir, actualizando el arreglo de antena, se incrementa hasta 10 veces la potencia de trabajo. De igual manera, proporcionará un aumento de hasta 10 veces en el volumen de rastreo o el incremento del 78 por ciento en el alcance [3,5].

Por ejemplo, en [5] se presentan las respuestas de desempeño de diodos p-i-n de InGaAs para conmutadores integrados monolíticos para la banda W. El conmutador SPST monolítico diseñado con los diodos p-i-n demuestra una pérdida de inserción de 1,3 dB y un aislamiento de 25 dB en la frecuencia de 83 GHz. Por otro lado, conmutadores monolíticos de ondas milimétricas con base en diodos p-i-n de GaAs han logrado pérdidas de inserción de 1 dB y aislamiento de 30 dB en la frecuencia de 94 GHz [6].

El presente trabajo realiza un análisis de algunos materiales semiconductores para diodos p-i-n, base del diseño de conmutadores de microondas. En un principio se presentan los circuitos de los conmutadores tipos serie y paralelo de un polo-un tiro. Se presentan las ecuaciones de pérdidas de inserción y aislamiento que ayudan a estimar el desempeño para cada conmutador. Se presentan las expresiones matemáticas propuestas por investigadores para el cálculo de los parámetros de diodos p-i-n presentes en las ecuaciones de desempeño. Estos parámetros, resistencia serie y capacitancia de unión, son obtenidos a partir de las características físicas y eléctricas de los materiales semiconductores estudiados. Se analizan los resultados obtenidos y se proponen los semiconductores adecuados para diodos p-i-n a utilizarse en cada tipo de conmutador.

En la figura 1 se muestran los conmutadores tipos serie y paralelo de un polo-un tiro (SPST) y un polo-dos tiros (SPDT) [2].

Los valores de resistencia serie (Rs) y capacitancia de unión (Cj) que caracterizan a los diodos p-i-n en situaciones de polarización directa e inversa, respectivamente, fueron calculados de acuerdo a las propiedades físicas y eléctricas de cada material semiconductor base para el diseño de los diodos p-i-n. Se asumió que la resistencia en paralelo con la capacitancia C_j en el circuito equivalente del diodo bajo polarización inversa, es infinita.

La capacitancia formada en la región intrínseca se calculó con la ecuación (1):

donde ε₀ es la permeabilidad en espacio libre (8,85 x 10^-14F/cm) A es el diámetro de la unión y W es la anchura de la región I del diodo [8].

La resistencia total del diodo en situación de polarización directa tiene que considerar la resistencia serie correspondiente a la región intrínseca, R_I (=Rs), y la resistencia de las dos uniones entre las capas que conforman el diodo p-i-n, R_j(f). Se aproxima con la siguiente ecuación (2):

Donde [9]:

Con parámetros dados por:

Los materiales analizados son Si, GaAs, SiC, GaN, InP y GaSb y sus propiedades físicas y eléctricas se presentan en las tablas 2 y 3. ]]>

Donde es la constante de difusión ambipolar del dispositivo, función de las constantes de difusión de electrones y huecos.

Para efectos de análisis, iniciamos considerando un valor determinado de tiempo de vida de portadores, característica propia de la recombinación de portadores en la región I del diodo. El tiempo de vida de portadores es interpretado como el tiempo que demoran los portadores (electrones y huecos) en recombinarse en la región intrínseca del dispositivo. Un valor alto del tiempo de vida no necesariamente implica una velocidad de conmutación baja del dispositivo [8].
]]> Por otro lado, el material utilizado en la región I del diodo es de tipo n (mayormente elegido) y tiene una densidad de electrones en la banda de conducción N_D. La resistividad de la región I dependerá de este valor de densidad de electrones, así como de la movilidad de electrones.

El ancho de la región intrínseca (W) para cada material semiconductor estudiado en los diodos p-i-n se encuentra con la ecuación (6):

donde ε_s (= ε_R ε₀)es la constante de permitividad y V_bi el potencial electrostático del semiconductor utilizado. V_r es el voltaje de polarización inversa aplicado al dispositivo. El potencial electrostáticos V_bi se calcula con la concentración de portadores intrínseca del semiconductor, de acuerdo con la ecuación:

donde N_A y N_D son las concentraciones de impurezas donoras y aceptoras utilizadas en el diseño del dispositivo. La banda prohibida de cada material semiconductor ayudó a encontrar las concentraciones de portadores intrínseca según la ecuación:

donde N_C y N_V son las densidades efectivas de estados en las bandas de conducción y valencia de cada semiconductor [11].
]]> Con la longitud de difusión L calculada, se encuentra la relación W/L, resultado del cociente de las ecuaciones (6) y (5), para el diodo p-i-n. Posteriormente, utilizando la ecuación (2) encontramos la resistencia del diodo p-i-n, diseñado con algún material semiconductor de la tabla 1, en función de la frecuencia de operación.

Resultados y discusión

Desempeño de conmutadores diseñados con diodos p-i-n de distintos materiales

Como se puede apreciar en la tabla 1, el nivel de pérdida de inserción de un conmutador, depende del valor de resistencia serie y la capacitancia de unión del modelo de circuito equivalente del diodo p-i-n. La resistencia serie depende del tiempo de vida de portadores y del ancho de la región intrínseca. Un ancho W pequeño en un diodo p-i-n conlleva a obtener una resistencia serie baja, aunque no permite alcanzar buenas respuestas de distorsión de señal. Un valor elevado de tiempo de vida de portadores, definitivamente asegura un valor bajo de resistencia serie del diodo bajo situación de polarización directa.

Los diodos p-i-n con valores altos de ancho de región intrínseca (W), tendrán buenas características de distorsión de señal, lo cual se consigue con diodos p-i-n de baja capacitancia de unión, Cj.

Para el análisis de desempeño, consideramos los siguientes parámetros físicos para los diodos p-i-n diseñados con distintos semiconductores:

Tiempo de vida de portadores, τ = 45ns. ]]>
Corriente de polarización directa típica, I₀ = 10mA

Concentración de impurezas aceptoras, N_A = 1 x 10¹⁹ cm^-3.

Concentración de impurezas donoras, N_D= 8 x 10¹⁴ cm^-3.

Diámetro del diodo, D = 71 μm.

Voltaje de polarización inversa, Vr = 45 voltios. ]]>
El valor considerado de tiempo de vida de portadores asegura que el dispositivo se comportará como una resistencia lineal pura sin introducir distorsión en las señales de microondas. Esto debido a que la frecuencia de las señales de operación será muy superior al límite inferior de frecuencia (1/2πτ=4MHz) para no distorsión de señal, definido en el diseño para el diodo p-i-n.

Resultados de desempeño de conmutadores tipo serie

Para el circuito conmutador tipo serie, las respuestas de pérdida de inserción y aislamiento para los diodos p-i-n de los materiales semiconductores mencionados se muestra en la figura 2.

La respuesta de pérdida de inserción se mantiene ligeramente constante, disminuyendo conforme la frecuencia de la señal de operación aumenta. Se puede apreciar una diferencia de pérdida de inserción de 0,2 dB aproximadamente entre conmutadores serie con base en semiconductores GaSb y SiC6H.
]]> La figura 3 muestra los resultados de aislamiento del conmutador.

El diodo p-i-n diseñado con GaSb alcanza valores de aislamiento inferiores con respecto a los otros semiconductores, lo cual indica que este diodo p-i-n no es el adecuado para utilizarse en este tipo de conmutador. Buen aislamiento se consigue con los semiconductores de SiC, GaN e InP para frecuencias menores a 10 GHz.

Superando los 10 GHz, todos los materiales estudiados no contribuyen a un buen aislamiento en conmutadores tipo serie.

Con los resultados obtenidos de pérdidas de inserción y aislamiento, se puede concluir, que los diodos p-i-n diseñados con GaN-ZB presentan buen desempeño en conmutadores serie operando con señales microondas por debajo de 10 GHz.

La respuesta de pérdida de inserción para este conmutador se muestra en la figura 4.

Se puede observar que a partir de 10 GHz la pérdida de inserción aumenta para todos los materiales semiconductores. Conmutadores con diodos p-i-n de GaN permiten alcanzar la mejor respuesta de pérdida de inserción. GaN logra aproximadamente unos 0,2 dB de pérdida de inserción por debajo de Si en la frecuencia de 40 GHz.

La figura 5 muestra las respuestas de aislamiento.

Conclusiones

Los materiales semiconductores SiC y GaN son los recomendados para el diseño de diodos p-i-n a utilizarse en los dispositivos conmutadores de ondas milimétricas, tipos serie y paralelo. Así mismo, se presenta una comparación del desempeño de los semiconductores analizados, en función de la frecuencia de operación que se ocupe en determinada aplicación.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo recibido a través del proyecto de investigación SIP20100593.

1. A. Iturri Hinojosa, L. M. Resendiz, T. V. Torchynska. "Numerical Analysis of the Performance of PIN Diode Microwave Switches Based on Different Materials". Materials Characterization Symposium at the XVIII International Materials Research Congress. Agosto 16-20. Cancun (Mexico). 2009.         [ Links ]

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(Recibido el 23 de junio de 2010. Aceptado el 11 de noviembre de 2010)

^*Autor de correspondencia: teléfono + 52 + 551 + 165 88 13, correo electrónico: joseluis.lopezbonilla@gmail.com (J. L. López)