基于GaAs PIN二極管的寬帶大功率單片單刀雙擲開關

　　PIN二極管廣泛應用于限幅器、開關、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，但由于是混合集成電路形式，導致開關模塊體積較大。

　　本文采用河北半導體研究所GaAs PIN工藝成功開發(fā)出一款寬帶大功率單片單刀雙擲開關。該單片開關集成了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(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二極管采用垂直結構。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二極管結構圖(a)和實物照片(b)。

　　2 單刀雙擲開關電路設計

　　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。在進行單片開關電路設計前先進行一次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二極管會使開關電路在小功率狀態(tài)下就開始壓縮，要想制作大功率開關只能采用并聯(lián)式結構。圖3是并聯(lián)式單刀雙擲開關原理圖。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L1和L2組成帶通濾波器，整個支路處于導通狀態(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。整個開關電路采用AdvancedDesign System軟件、原理圖仿真與電磁場仿真相結合的方法進行設計。

　　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。

　　開關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的輸入端口，隔離器防止放大器被開關反射回來的功率燒毀，開關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 結論

　　本文報道的寬帶大功率單片單刀雙擲開關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頻點測試P1dB大于5 W。在4英寸(100 mm)的晶圓上開關成品率達到70％以上，具有非常好的工程應用前景。