詳解基于GaAs PIN二極管的寬帶大功率單片單刀雙擲開關(guān)

PIN二極管廣泛應(yīng)用于限幅器、開關(guān)、衰減器、移相器等控制電路中。與MESFET和PHEMT器件相比較，PIN二極管具有插入損耗低、截止頻率高、功率容量大的特點(diǎn)，特別適合于制作性能優(yōu)異的寬帶大功率控制電路。文獻(xiàn)[1]就是采用GaAs PIN二極管制作了一款寬帶大功率單刀雙擲開關(guān)，但由于是混合集成電路形式，導(dǎo)致開關(guān)模塊體積較大。

本文采用河北半導(dǎo)體研究所GaAs PIN工藝成功開發(fā)出一款寬帶大功率單片單刀雙擲開關(guān)。該單片開關(guān)集成了GaAs PIN二極管、電容、電感和電阻元件。在6～18 GHz范圍內(nèi)插入損耗(IL)小于1.45 dB，隔離度大于28 dB;在連續(xù)波輸入功率37 dBm，12 GHz條件下測(cè)試輸出功率僅壓縮0.5 dB。由于采用單片制作工藝，在具有大功率處理能力的情況下又大大縮減了電路面積。

1 PIN二極管制作工藝

本論文的PIN二極管采用垂直結(jié)構(gòu)。為使PIN二極管具有較好的微波特性，在進(jìn)行材料外延生長(zhǎng)時(shí)控制p+層、n+層的摻雜濃度大于2.5×1018，降低金屬一半導(dǎo)體歐姆接觸電阻;i層的厚度為3 μm，載流子濃度接近3×1014，使二極管的i層耗盡電容和功率容量達(dá)到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。圖1為最終制作的GaAs PIN二極管結(jié)構(gòu)圖(a)和實(shí)物照片(b)。

2 單刀雙擲開關(guān)電路設(shè)計(jì)

精確的模型是設(shè)計(jì)電路的基礎(chǔ)。如圖2所示，GaAs PIN二極管在正壓偏置狀態(tài)下等效為電阻Rp，負(fù)壓偏置狀態(tài)下等效為電容Cr和電阻Rn串聯(lián)。其中Rp≈Rn，是p+層、n+層和i層正向?qū)娮柚?，Cr為i層反向偏置電容。在進(jìn)行單片開關(guān)電路設(shè)計(jì)前先進(jìn)行一次PIN二極管模型版流片。二極管分為串聯(lián)和并聯(lián)兩大類，每類尺寸由小到大共有15種。通過(guò)在片測(cè)量提取每種二極管正、反兩個(gè)偏置狀態(tài)的S參數(shù)，建立了完整的PIN二極管小信號(hào)模型。

單刀雙擲開關(guān)通常有串聯(lián)式、串并聯(lián)混合式、并聯(lián)式三種結(jié)構(gòu)。其中前兩種結(jié)構(gòu)中的串聯(lián)PIN二極管會(huì)使開關(guān)電路在小功率狀態(tài)下就開始?jí)嚎s，要想制作大功率開關(guān)只能采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。圖3是并聯(lián)式單刀雙擲開關(guān)原理圖。輸入端口接一50 Ω微帶線，C1是隔直電容，防止兩個(gè)輸出支路的偏置電壓互相干擾;根據(jù)公式Zc=1/jωC，為了減小導(dǎo)通狀態(tài)下的插入損耗，C1應(yīng)具有很大的容值。偏置電壓端口加負(fù)壓，二極管D1處于反向偏置狀態(tài)，等效為一小電容，D1、微帶線L1和L2組成帶通濾波器，整個(gè)支路處于導(dǎo)通狀態(tài);偏置電壓端口加正壓，D1處于正向偏置狀態(tài)，等效為一小電阻，D1、微帶線L1和L2組成的帶通濾波器處于失配狀態(tài)，把大部分輸入功率反射回去，整個(gè)支路處于隔離狀態(tài)。電感L、電容C2和微帶線L3組成輸出匹配電路。整個(gè)開關(guān)電路采用AdvancedDesign System軟件、原理圖仿真與電磁場(chǎng)仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 小信號(hào)與功率特性測(cè)試

圖4為經(jīng)過(guò)加工后的芯片照片，芯片面積為2.3 mm×1.4 mm。圖5為微波在片測(cè)試系統(tǒng)框圖。在±5 V條件下，經(jīng)過(guò)微波在片小信號(hào)測(cè)試，該單刀雙擲開關(guān)在6～18 GHz內(nèi)尼<1.45 dB，隔離度(ISO)大于28 dB，輸入輸出駐波在6～14 GHZ內(nèi)大于10 dB，在14～18 GHz內(nèi)大于7.5 dB。圖6為小信號(hào)測(cè)試曲線。

開關(guān)的微波功率特性需要把芯片裝入夾具中進(jìn)行測(cè)試。圖7為裝配完成的開關(guān)被測(cè)件。圖8為功率測(cè)試平臺(tái)框圖，信號(hào)源提供的連續(xù)波信號(hào)經(jīng)過(guò)行波管放大器放大加在開關(guān)的輸入端口，隔離器防止放大器被開關(guān)反射回來(lái)的功率燒毀，開關(guān)的輸出端口接衰減器，用來(lái)保護(hù)功率計(jì)探頭，通過(guò)功率計(jì)可以得出開關(guān)的功率特性。圖9為12 GHz條件下功率特性測(cè)試曲線，可見在37 dBm出功率僅壓縮0.5 dB。

4 結(jié)論

本文報(bào)道的寬帶大功率單片單刀雙擲開關(guān)芯片是在河北半導(dǎo)體研究所工藝流片完成的。在±5 V條件下、6～18 GHz內(nèi)測(cè)試插入損耗小于1.45 dB，隔離度大于28 dB，反射損耗大于7.5 dB，12 GHz頻點(diǎn)測(cè)試P1dB大于5 W。在4英寸(100 mm)的晶圓上開關(guān)成品率達(dá)到70%以上，具有非常好的工程應(yīng)用前景。