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

          作者: 時(shí)間:2013-06-24 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            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,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 制作了一款寬帶大功率,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 PIN工藝成功開發(fā)出一款寬帶大功率單片。該單片開關(guān)集成了 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)。

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

            2 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。

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

            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)。

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

            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。

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

            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。

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

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            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。


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