基于GaAsPIN二極管的寬帶大功率單片單刀雙擲開(kāi)關(guān)
劉會(huì)東，魏洪濤，吳洪江，高學(xué)邦
(河北半導(dǎo)體研究所，石家莊 050051)
0 引言
PIN二極管廣泛應(yīng)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(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(kāi)關(guān)，但由于是混合集成電路形式，導(dǎo)致開(kāi)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(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(nèi)插入損耗(IL)小于1.45dB，隔離度大于28 dB；在連續(xù)波輸入功率37 dBm，12GHz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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電路在小功率狀態(tài)下就開(kāi)始?jí)嚎s，要想制作大功率開(kāi)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(kāi)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
