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PIN二极管广泛应用于限幅器、开关、衰减器、移相器等控制电路中。与MESFET和PHEMT器件相比较,PIN二极管具有插入损耗低、截止频率高、功率容量大的特点,特别适合于制作性能优异的宽带大功率控制电路。文献[1]就是采用GaAs PIN二极管制作了一款宽带大功率单刀双掷开关,但由于是混合集成电路形式,导致开关模块体积较大。

本文采用河北半导体研究所GaAs PIN工艺成功开发出一款宽带大功率单片单刀双掷开关。该单片开关集成了GaAs PIN二极管、电容、电感和电阻元件。在6~18 GHz范围内插入损耗(IL)小于1.45 dB,隔离度大于28 dB;在连续波输入功率37 dBm,12 GHz条件下测试输出功率仅压缩0.5 dB。由于采用单片制作工艺,在具有大功率处理能力的情况下又大大缩减了电路面积。

1 PIN二极管制作工艺

本论文的PIN二极管采用垂直结构。为使PIN二极管具有较好的微波特性,在进行材料外延生长时控制p+层、n+层的掺杂浓度大于2.5×1018,降低金属一半导体欧姆接触电阻;i层的厚度为3 μm,载流子浓度接近3×1014,使二极管的i层耗尽电容和功率容量达到一个最佳平衡点。图1为最终制作的GaAs PIN二极管结构图(a)和实物照片(b)。

 

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2 单刀双掷开关电路设计

精确的模型是设计电路的基础。如图2所示,GaAs PIN二极管在正压偏置状态下等效为电阻Rp,负压偏置状态下等效为电容Cr和电阻Rn串联。其中Rp≈Rn,是p+层、n+层和i层正向导通电阻之和,Cr为i层反向偏置电容。在进行单片开关电路设计前先进行一次PIN二极管模型版流片。二极管分为串联和并联两大类,每类尺寸由小到大共有15种。通过在片测量提取每种二极管正、反两个偏置状态的S参数,建立了完整的PIN二极管小信号模型。

 

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单刀双掷开关通常有串联式、串并联混合式、并联式三种结构。其中前两种结构中的串联PIN二极管会使开关电路在小功率状态下就开始压缩,要想制作大功率开关只能采用并联式结构。图3是并联式单刀双掷开关原理图。输入端口接一50 Ω微带线,C1是隔直电容,防止两个输出支路的偏置电压互相干扰;根据公式Zc=1/jωC,为了减小导通状态下的插入损耗,C1应具有很大的容值。偏置电压端口加负压,二极管D1处于反向偏置状态,等效为一小电容,D1、微带线L1和L2组成带通滤波器,整个支路处于导通状态;偏置电压端口加正压,D1处于正向偏置状态,等效为一小电阻,D1、微带线L1和L2组成的带通滤波器处于失配状态,把大部分输入功率反射回去,整个支路处于隔离状态。电感L、电容C2和微带线L3组成输出匹配电路。整个开关电路采用AdvancedDesign System软件、原理图仿真与电磁场仿真相结合的方法进行设计。

 

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3 小信号与功率特性测试

图4为经过加工后的芯片照片,芯片面积为2.3 mm×1.4 mm。图5为微波在片测试系统框图。在±5 V条件下,经过微波在片小信号测试,该单刀双掷开关在6~18 GHz内尼<1.45 dB,隔离度(ISO)大于28 dB,输入输出驻波在6~14 GHZ内大于10 dB,在14~18 GHz内大于7.5 dB。图6为小信号测试曲线。

 

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开关的微波功率特性需要把芯片装入夹具中进行测试。图7为装配完成的开关被测件。图8为功率测试平台框图,信号源提供的连续波信号经过行波管放大器放大加在开关的输入端口,隔离器防止放大器被开关反射回来的功率烧毁,开关的输出端口接衰减器,用来保护功率计探头,通过功率计可以得出开关的功率特性。图9为12 GHz条件下功率特性测试曲线,可见在37 dBm出功率仅压缩0.5 dB。

 

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4 结论

本文报道的宽带大功率单片单刀双掷开关芯片是在河北半导体研究所工艺流片完成的。在±5 V条件下、6~18 GHz内测试插入损耗小于1.45 dB,隔离度大于28 dB,反射损耗大于7.5 dB,12 GHz频点测试P1dB大于5 W。在4英寸(100 mm)的晶圆上开关成品率达到70%以上,具有非常好的工程应用前景。

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