基于GaAs PIN二極管的寬帶大功率單片單刀雙擲開(kāi)關(guān)

　　PIN二極管廣泛應用于限幅器、開(kāi)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[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(kāi)關(guān)，但由于是混合集成電路形式，導致開(kāi)關(guān)模塊體積較大。

　　本文采用河北半導體研究所GaAs PIN工藝成功開(kāi)發(fā)出一款寬帶大功率單片單刀雙擲開(kāi)關(guān)。該單片開(kāi)關(guān)集成了GaAs PIN二極管、電容、電感和電阻元件。在6～18 GHz范圍內插入損耗(IL)小于1.45 dB，隔離度大于28 dB；在連續波輸入功率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二極管采用垂直結構。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(cháng)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(gè)最佳平衡點(diǎn)。圖1為最終制作的GaAs PIN二極管結構圖(a)和實(shí)物照片(b)。

　　2 單刀雙擲開(kāi)關(guān)電路設計

　　精確的模型是設計電路的基礎。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層正向導通電阻之和，Cr為i層反向偏置電容。在進(jìn)行單片開(kāi)關(guān)電路設計前先進(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(lèi)，每類(lèi)尺寸由小到大共有15種。通過(guò)在片測量提取每種二極管正、反兩個(gè)偏置狀態(tài)的S參數，建立了完整的PIN二極管小信號模型。

　　單刀雙擲開(kāi)關(guān)通常有串聯(lián)式、串并聯(lián)混合式、并聯(lián)式三種結構。其中前兩種結構中的串聯(lián)PIN二極管會(huì )使開(kāi)關(guān)電路在小功率狀態(tài)下就開(kāi)始壓縮，要想制作大功率開(kāi)關(guān)只能采用并聯(lián)式結構。圖3是并聯(lián)式單刀雙擲開(kāi)關(guān)原理圖。輸入端口接一50 Ω微帶線(xiàn)，C1是隔直電容，防止兩個(gè)輸出支路的偏置電壓互相干擾；根據公式Zc=1／jωC，為了減小導通狀態(tài)下的插入損耗，C1應具有很大的容值。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(xiàn)L1和L2組成帶通濾波器，整個(gè)支路處于導通狀態(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(xiàn)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(xiàn)L3組成輸出匹配電路。整個(gè)開(kāi)關(guān)電路采用AdvancedDesign System軟件、原理圖仿真與電磁場(chǎng)仿真相結合的方法進(jìn)行設計。

　　3 小信號與功率特性測試

　　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為微波在片測試系統框圖。在±5 V條件下，經(jīng)過(guò)微波在片小信號測試，該單刀雙擲開(kāi)關(guān)在6～18 GHz內尼1.45 dB，隔離度(ISO)大于28 dB，輸入輸出駐波在6～14 GHZ內大于10 dB，在14～18 GHz內大于7.5 dB。圖6為小信號測試曲線(xiàn)。

　　開(kāi)關(guān)的微波功率特性需要把芯片裝入夾具中進(jìn)行測試。圖7為裝配完成的開(kāi)關(guān)被測件。圖8為功率測試平臺框圖，信號源提供的連續波信號經(jīng)過(guò)行波管放大器放大加在開(kāi)關(guān)的輸入端口，隔離器防止放大器被開(kāi)關(guān)反射回來(lái)的功率燒毀，開(kāi)關(guān)的輸出端口接衰減器，用來(lái)保護功率計探頭，通過(guò)功率計可以得出開(kāi)關(guān)的功率特性。圖9為12 GHz條件下功率特性測試曲線(xiàn)，可見(jiàn)在37 dBm出功率僅壓縮0．5 dB。

　　4 結論

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