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(dá)系統(tǒng)等須嚴(yán)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(dāng)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(dá)到其50%開始到RF包絡(luò)線達(dá)到其90%的這段時間，傳統(tǒng)上標(biāo)記為ton,。RF包絡(luò)從10%變化到90%所需的上升時間標(biāo)記為trise,。當(dāng)控制信號使開關(guān)從“導(dǎo)通”變?yōu)?ldquo;截止”時，從控制信號值達(dá)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(dú)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?yàn)樽詈蟮?0%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(dá)到90%這一點(diǎn)需10ns的開關(guān)來說,，達(dá)到100%這一點(diǎn)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(jì)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(diǎn)的阻抗變化來測量,，因?yàn)殚_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(dāng)?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,。可用數(shù)據(jù)傳輸時間多,，則相當(dāng)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(dāng)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(dá)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(shí)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(jìn)行隔離,，大多開關(guān)設(shè)計(jì)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(dāng)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(rèn)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(jìn)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。
為解決由柵遲滯主導(dǎo)的狀態(tài)變化所引致的射頻開關(guān)時間延長,，對現(xiàn)有的用于制造微波開關(guān)的pHEMT工藝進(jìn)行了若干調(diào)整,。改進(jìn)的pHEMT器件截面圖顯示了這些改變(圖3)。通過聯(lián)合使用清潔技術(shù)和鈍化電介質(zhì)沉積技術(shù),，減少了非柵控砷化鎵表面的表面態(tài)和界面陷阱的數(shù)量,。此外，對肖特基二極管柵極的形成做了修改,，以同時降低柵極阻抗(但不引入額外柵極容抗),，并把伴隨器件導(dǎo)通和截止的RC充電時間最小化。最后,，為pHEMT構(gòu)造增加了專有的III-V層以進(jìn)一步降低溝道阻抗,，從而使電荷能在器件內(nèi)更自由地移動,，特別是對來自非柵控凹陷區(qū)內(nèi)的電荷來說。這樣的工藝優(yōu)化使開關(guān)速度比標(biāo)準(zhǔn)pHEMT器件顯著提升,。與現(xiàn)有開關(guān)產(chǎn)品比,，這已申請專利的工藝大大改善了設(shè)置時間特性，且不對其它器件參數(shù)產(chǎn)生明顯影響(圖4),。
圖4和圖5分別顯示了采用標(biāo)準(zhǔn)pHEMT工藝制造的場效應(yīng)管與采用優(yōu)化工藝制造的場效應(yīng)管的Ron與開關(guān)時間的對比,。新工藝顯著改善了導(dǎo)通阻抗性能以及器件-器件間的一致性。新工藝也顯著提升了晶圓-晶圓間開關(guān)特性的一致性,。在隔離或“關(guān)”狀態(tài),，器件有數(shù)千歐姆的阻抗是個重要認(rèn)識。器件可以迅速達(dá)到90%這個點(diǎn),，但要完全設(shè)置仍需很長時間：變化的絕對范圍非常大,。對采用標(biāo)準(zhǔn)pHEMT工藝制造的高隔離開關(guān)來說，標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)速度規(guī)格可能會引起誤解,，因?yàn)檫w變與絕對信號電平的變化成正比,。改進(jìn)的短柵遲滯工藝帶來的更快的導(dǎo)通特性提供了可靠的快速轉(zhuǎn)換。
為衡量新工藝帶來的速度好處,，將采用新工藝制造的開關(guān)與采用典型pHEMT工藝制造的開關(guān)進(jìn)行比對,。當(dāng)RF包絡(luò)從90%變到98%時，典型pHEMT開關(guān)所用時間為274μs,，而具有專有的III-V短柵遲滯層的優(yōu)化pHEMT工藝器件,，僅需18ns(圖5)。
表1提供了一組從10MHz到20GHz,、具有快速設(shè)置時間的開關(guān)的性能概要,。MASW-009590型單刀雙擲(SPDT)開關(guān)裸片是其中最快的，到97.5%設(shè)置點(diǎn)所需時間約20ns,，工作頻率為10MHz到8GHz,，插入損耗是0.6dB，隔離度是23dB,。當(dāng)工作在直流3V時,，在1dB壓縮點(diǎn)具有+30dBm功率。此開關(guān)系列產(chǎn)品既有大功率器件,，也有帶寬很寬的器件,，還有一款隔離度非常高的器件。
柵遲滯是測試系統(tǒng),、基于分組的數(shù)據(jù)傳輸,、雷達(dá)系統(tǒng)以及其它許多對時間變化有苛刻要求的應(yīng)用的一個重要參數(shù)。采用可大幅縮短總開關(guān)時間、具有優(yōu)良電氣性能的優(yōu)化半導(dǎo)體工藝制造的新開關(guān)產(chǎn)品,，具有更短的設(shè)置時間,。