設(shè)置時間不到20ns的GaAs pHEMT微波開關(guān)

開關(guān)速度是個涉及多個事件的復(fù)雜參數(shù)，每個事件都有自己的持續(xù)時間。借助已申請專利的pHEMT技術(shù)，M/A-COM Technology Solutions公司（下文簡稱為M/A-COM）已經(jīng)找到了一種可縮短其中一個事件——開關(guān)的設(shè)置時間——的方法，從而給基于分組通信網(wǎng)絡(luò)和雷達系統(tǒng)等須嚴格控制時域參數(shù)的系統(tǒng)帶來了福音。在從10MHz到20GHz這一系列開關(guān)中都采用了該技術(shù)，其設(shè)置時間可短至20ns。

開關(guān)速度和設(shè)置時間（settling time），或者柵遲滯（gate lag），都被用來描述高速開關(guān)性能，但這兩個參數(shù)有區(qū)別且往往被誤解。開關(guān)速度是指當控制信號使開關(guān)從“截止”轉(zhuǎn)為“導(dǎo)通”時，射頻包絡(luò)線從10%變化到90%所需的時間（圖1）。從控制信號值達到其50%開始到RF包絡(luò)線達到其90%的這段時間，傳統(tǒng)上標記為ton。RF包絡(luò)從10%變化到90%所需的上升時間標記為trise。當控制信號使開關(guān)從“導(dǎo)通”變?yōu)椤敖刂埂睍r，從控制信號值達到其50%開始到RF包絡(luò)線從90%降至10%的這段時間是 toff。而RF包絡(luò)線從90%降至10%的這段單獨的時間是tfall。柵遲滯定義了開關(guān)經(jīng)過RF包絡(luò)線的90%后，或者10%后的設(shè)置時間特性。

圖1：開關(guān)設(shè)置時間的圖示說明。

不幸的是，開關(guān)過渡時間的最后10%可造成對傳統(tǒng)開關(guān)速度規(guī)范的誤解，因為最后的10%與先前90%的變化速率不同。歷史上看，響應(yīng)呈對數(shù)形態(tài)，而最后10%所花時間接近整個設(shè)置時間。通常情況，對于達到90%這一點需10ns的開關(guān)來說，達到100%這一點可能需要數(shù)百ms。這個長的設(shè)置時間（柵遲滯），會給許多系統(tǒng)帶來問題。

根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備和方法，可通過測量器件的功率從90%變到以后設(shè)置起的某個值，如97.5%或100%，所需的時間來計算器件的柵延遲。此外，還可通過在控制信號改變后，觀察兩個固定時間點的阻抗變化來測量，因為開關(guān)器件在“開”狀態(tài)呈低阻態(tài)，在“關(guān)”狀態(tài)呈高阻態(tài)。例如，器件的柵遲滯可被描述為：在控制信號改變后10μs到10ms這段時間阻抗發(fā)生了0.5Ω的變化。雖然無法消除柵遲滯，但M/A-COM Technology Solutions已開發(fā)出針對柵遲滯導(dǎo)致的延遲的解決方案。

無論是看作延遲或開關(guān)阻抗變化，在許多測試應(yīng)用及其它系統(tǒng)中，開關(guān)都必不可少。一些復(fù)雜的基于分組的調(diào)制方案，依靠快速發(fā)送/接收或分集開關(guān)來優(yōu)化數(shù)據(jù)吞吐量、降低信噪比。如果當?shù)谝粋€數(shù)據(jù)包已通過它傳輸時，開關(guān)仍處在設(shè)置時期，則包絡(luò)形狀可能是圓的，從而有可能損害數(shù)據(jù)。對于高數(shù)據(jù)速率通信應(yīng)用，快速的設(shè)置性能可以顯著縮短發(fā)射前的等待時間?？捎脭?shù)據(jù)傳輸時間多，則相當于提高了吞吐量。

設(shè)置時間短的開關(guān)還可帶來熱管理方面的好處。當射頻功率施加到尚未完全設(shè)置起來的器件上時，在器件達到穩(wěn)定狀態(tài)前，功耗會顯著增加。更快的設(shè)置速度意味著降低了由于設(shè)置之前的串聯(lián)電阻引入的功耗，另外還可在高功率下實現(xiàn)更低的工作結(jié)溫。

開關(guān)延遲主要與改變存儲在有源器件、相關(guān)電路內(nèi)靜態(tài)電荷、與時間相關(guān)的充/放電衰減效應(yīng)有關(guān)。有幾個因素造成的遲滯現(xiàn)象，可通過阻抗和容抗對其描述。場效應(yīng)管（FET）的柵極體積小，且存在一定損耗，為對直流和射頻進行隔離，大多開關(guān)設(shè)計中通常采用大阻值的柵電阻。柵電阻成為決定阻容（RC）時間常數(shù)的一個因素。對于任何狀態(tài)的改變（作為一階近似），必須耗盡或恢復(fù)器件溝道、且必須創(chuàng)建或清除柵周圍的電場。

在器件級，參考砷化鎵MESFET/pHEMT的簡化截面，可以理解開關(guān)速度和任何相關(guān)的柵遲滯（圖2）。射頻開關(guān)時間由溝道區(qū)的電荷主導(dǎo)，電荷位于柵附近的柵控和非柵控凹陷區(qū)。器件的導(dǎo)通時間是當施加控制信號后，將電荷通過溝道從源極轉(zhuǎn)移到漏極所需的時間。導(dǎo)通時間是用電荷填充溝道區(qū)所需相應(yīng)延遲時間的函數(shù)。電荷包括與柵極容抗相關(guān)的溝道電荷，以及非柵控凹陷區(qū)內(nèi)的表面陷阱電荷。關(guān)斷時間定義則相反，只有徹底移除溝道和凹陷區(qū)內(nèi)的電荷，器件才會完全截止。

通過器件截面圖還能直觀地認識相對快的trise（即RF包絡(luò)線從10%上升到90%所需的時間）、RF包絡(luò)從90%下降到10%所需的時間 tfall、以及RF包絡(luò)從90%過渡到100%所需的相對很長的柵遲滯時間。與直接位于柵下方的耗盡區(qū)相關(guān)的溝道電荷，占這部分電荷的主要部分。通過對柵極終端施以正確的極偏置，可相對快地將電荷移進和移出柵極區(qū)。另一方面，非柵控凹陷區(qū)內(nèi)的電荷以表面狀態(tài)和界面陷阱等形態(tài)被集聚起來，它們對施加的偏壓相對不敏感，只能通過由肖特基二極管形成的阻容（RC）電路充放電。這些表面電荷的填充和移出是一個緩慢過程，直接導(dǎo)致柵遲滯開關(guān)時間延長。

圖3： 具有專利的低柵遲滯層的pHEMT剖面圖。