【導(dǎo)讀】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,特別適合于制作性能優(yōu)異的寬帶大功率控制電路。
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,特別適合于制作性能優(yōu)異的寬帶大功率控制電路。文獻[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,在進行材料外延生長時控制 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到一個最佳平衡點。圖 1 為最終制作的 GaAs PIN 二極管結(jié)構(gòu)圖(a)和實物照片(b)。
2 單刀雙擲開關(guān)電路設(shè)計
精確的模型是設(shè)計電路的基礎(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)娮柚停珻r 為 i 層反向偏置電容。在進行單片開關(guān)電路設(shè)計前先進行一次 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。通過在片測量提取每種二極管正、反兩個偏置狀態(tài)的 S 參數(shù),建立了完整的 PIN 二極管小信號模型。
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 二極管會使開關(guān)電路在小功率狀態(tài)下就開始壓縮,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。整個開關(guān)電路采用 AdvancedDesign System 軟件、原理圖仿真與電磁場仿真相結(jié)合的方法進行設(shè)計。
3 小信號與功率特性測試
圖 4 為經(jīng)過加工后的芯片照片,芯片面積為 2.3 mm×1.4 mm。圖 5 為微波在片測試系統(tǒng)框圖。在±5 V 條件下,經(jīng)過微波在片小信號測試,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 為小信號測試曲線。
開關(guān)的微波功率特性需要把芯片裝入夾具中進行測試。圖 7 為裝配完成的開關(guān)被測件。圖 8 為功率測試平臺框圖,信號源提供的連續(xù)波信號經(jīng)過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)反射回來的功率燒毀,開關(guān)的輸出端口接衰減器,用來保護功率計探頭,通過功率計可以得出開關(guān)的功率特性。圖 9 為 12 GHz 條件下功率特性測試曲線,可見在 37 dBm 出功率僅壓縮 0.5 dB。
4 結(jié)論
本文報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 頻點測試 P1dB 大于 5 W。在 4 英寸(100 mm)的晶圓上開關(guān)成品率達到 70%以上,具有非常好的工程應(yīng)用前景。