基于GaAsPIN二极管的宽带大功率单片单刀双掷开关
刘会东，魏洪涛，吴洪江，高学邦
(河北半导体研究所，石家庄 050051)
0 引言
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1.45dB，隔离度大于28 dB；在连续波输入功率37 dBm，12GHz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)。
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。
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
