Транзисторы для твердотельных СВЧ-переключателей (обзор)
https://doi.org/10.32603/1993-8985-2023-26-3-6-31
Аннотация
Введение. К характеристикам твердотельных СВЧ-переключателей предъявляются различные требования в зависимости от приложения и решаемых технических задач. Естественно, не существует универсального решения, удовлетворяющего сразу всем требованиям. Стремление к совершенствованию параметров переключателей привело к появлению устройств, изготовленных по различным технологиям. Для понимания тенденций развития техники переключателей важно рассмотреть технологии и возможности полупроводниковых приборов, являющихся основой схем переключателей.
Цель работы. Обзор типов транзисторов, используемых в твердотельных переключателях.
Материалы и методы. В основе поиска и подбора литературы для обзора лежит хронологический принцип. Глубина поиска для рассмотрения параметров конечных компонентов не более 10 лет, для рассмотрения технологий и структурных решений – более 10 лет, ввиду желания проследить историю развития и подходы к созданию полупроводниковых устройств, которые привели к возникновению современной компонентной базы. Конечный массив источников сформирован из научных публикаций, содержащих фактографическую информацию, представленную в обзоре, или дополняющих ее.
Результаты. Рассмотрены типы, структуры, материалы, характеристики и технологии изготовления транзисторов, используемых в переключателях. Представлены достижимые параметры переключателей, построенных на рассмотренных приборах.
Заключение. Выбор того или иного типа транзистора для переключателей зависит от требований, предъявляемых к параметрам и эксплуатационным характеристикам конечного устройства. На данный момент среди транзисторных решений для переключателей доминируют полевые транзисторы (ПТ) различных типов: GaAs- и GaN-транзисторы с повышенной подвижностью электронов (High Electron Mobility Transistor – HEMT), а также Si КМОП ПТ, реализованные как по стандартной, так и по технологиям "кремний на изоляторе" и "кремний на сапфире". Анализ литературы показал возможные перспективы развития технологии БиКМОП биполярных транзисторов с гетеропереходом.
При поддержке: грант РНФ № 21-79-10396
Об авторах
Е. М. Торина
ООО "Радиокомп";
Национальный исследовательский университет "МЭИ"
Россия
Россия
Торина Елена Михайловна – кандидат технических наук (2016), доцент кафедры формирования и обработки радиосигналов Национального исследовательского университета (НИУ) "МЭИ"
Красноказарменная ул., д. 14, Москва, 111250;
старший научный сотрудник ООО "Радиокомп".
Автор более 20 научных работ. Сфера научных интересов – радиофизика и электроника; устройства генерирования и формирования радиосигналов.
В. Н. Кочемасов
ООО "Радиокомп"
Россия
Россия
Кочемасов Виктор Неофидович – кандидат технических наук (1976), генеральный директор.
Автор более 150 научных работ, включая четыре монографии и более сорока авторских свидетельств на изобретения. Сфера научных интересов – радиотехника; устройства формирования и обработки радиосигналов, фильтры СВЧ; синтезаторы частот и сигналов.
пр. Волгоградский, д. 42, Москва, 109316
А. Р. Сафин
ООО "Радиокомп";
Национальный исследовательский университет "МЭИ";
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Россия
Россия
Сафин Ансар Ризаевич – кандидат технических наук (2014), доцент, заведующий кафедрой формирования и обработки радиосигналов НИУ "МЭИ"
Красноказарменная ул., д. 14, Москва, 111250;
старший научный сотрудник ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН;
начальник отдела в ООО "Радиокомп".
Автор более 50 научных работ. Сфера научных интересов – радиофизика и электроника; физика магнитных явлений; спинтроника
Список литературы
1. Hindle P. The state of RF and microwave switches // Microwave J. 2010. Vol. 53, № 11. P. 20–36.
2. Кочемасов В., Дингес С., Шадский В. Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности. Ч. 1 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2019. № 8. С. 108–113. doi: 10.22184/1992-4178.2019.189.8.108.112
3. Кочемасов В., Дингес С., Шадский В. Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности. Ч. 2 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2019. № 9. С. 116–131. doi: 10.22184/1992-4178.2019.190.9.116.130
4. Кочемасов В., Дингес С., Шадский В. Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности. Ч. 3 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2019. № 10. C. 82–95. doi: 10.22184/1992-4178.2019.191.10.82.94
5. Кочемасов В., Дингес С., Шадский В. Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности. Ч. 4 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2020. № 1. C. 142–151. doi: 10.22184/1992-4178.2020.192.1.142.151
6. Торина Е. М., Кочемасов В. Н., Сафин А. Р. Переключательные pin-диоды // СВЧ-электроника. 2021. № 4. С. 32–40.
7. Кочемасов В., Сафин А., Дингес С. Твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Ч. 1 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2020. № 10. C. 70–82. doi: 10.22184/1992-4178.2020.201.10.70.82
8. Кочемасов В., Сафин А., Дингес С. Твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Ч. 2 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2021. № 1. C. 98–109. doi: 10.22184/1992-4178.2021.202.1.98.108
9. Кочемасов В., Сафин А., Дингес С. Твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Ч. 3 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2021. № 3. C. 108–122. doi: 10.22184/1992-4178.2021.204.3.108.122
10. Кочемасов В., Сафин А., Дингес С. Твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации. Ч. 4 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2021. № 4. C. 104–115. doi: 10.22184/1992-4178.2021.205.4.104.115
11. Кочемасов В., Майстренко А. СВЧ-переключатели на основе МЭМС // СВЧ-электроника. 2016. № 1. C. 36–42.
12. A 25 THz FCO (6.3 fs RON* COFF) Phase-Change Material RF Switch Fabricated in a High Volume Manufacturing Environment with Demonstrated Cycling > 1 Billion Times / N. El-Hinnawy, G. Slovin, J. Rose, D. Howard // IEEE/MTT-S Intern. Microwave Symp. (IMS). Los Angeles, USA, 4–6 Aug. 2020. Piscataway: IEEE, 2020. P. 45–48. doi: 10.1109/IMS30576.2020.9223973
13. Berezniak A. F., Korotkov A. S. Solid-state microwave switches: Circuitry, manufacturing technologies and development trends. Review (pt. 1) // Radioelectronics and Communications Systems. 2013. Vol. 56, № 4. P. 159–177. doi: 10.3103/S0735272713040018
14. Кочемасов В., Сафин А., Дингес С. Антенные переключатели. Ч. 1 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2022. № 7. С. 102–115.
15. Кочемасов В., Сафин А., Дингес С. Антенные переключатели. Ч. 2 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2022. № 8. С. 86–99. doi: 10.22184/1992-4178.2022.219.8.86.99
16. Кочемасов В., Сафин А., Дингес С. Антенные переключатели. Ч. 3 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2022. № 9. С. 90–97. doi: 10.22184/1992-4178.2022.220.9.90.96
17. Кочемасов В., Сафин А., Дингес С. Антенные переключатели. Ч. 4 // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2022. № 10. С. 76–91. doi: 10.22184/1992-4178.2022.221.10.76.91
18. Zuleeg R., Notthoff J. K., Lehovec K. Femtojoule high speed planar GaAs E-JFET logic // IEEE Transactions on Electron Devices. 1978. Vol. 25, № 6. P. 628–639.
19. Zolper J. C., Hietala V. M., Housel M. S. Comparison of GaAs JFETs to MESFETs for high-temperature operation // Sandia National Lab. (SNLNM). 1996. № SAND-96-1418C. P. CONF-9606159-6.
20. Александров Р. Монолитные интегральные схемы СВЧ: взгляд изнутри // Компоненты и технологии. 2005. № 53. C. 174–182.
21. Mimura T. The early history of the high electron mobility transistor (HEMT) // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2002. № 50. P. 780–782.
22. A New Field-Effect Transistor with Selectively Doped GaAs/n–AlxGa1–xAs Heterojunctions / T. Mimura, S. Hiyamizu, T. Fujii, K. Nanbu // Japanese J. of Applied Physics. 1980. Vol. 19, № 5. P. 225–227. doi: 10.1143/JJAP.19.L225
23. High switching performance 0.1-μm metamorphic HEMTs for low conversion loss 94-GHz resistive mixers / D. An, B. H. Lee, B. O. Lim, M. K. Lee // IEEE Electron Device Let. 2005. Vol. 26, № 10. P. 707–709. doi: 10.1109/LED.2005.856013
24. Денисенко В. Моделирование МОП-транзисторов. Методологический аспект // Компоненты и технологии. 2004. № 43. C. 56–61.
25. Коколов А. А., Бабак Л. И. Методика построения малосигнальной модели СВЧ-транзистора с высокой подвижностью электронов // Докл. Томского гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. 2010. Т. 22, № 2–1. С. 153–156.
26. Angelov I., Bengtsson L., Garcia M. Extensions of the Chalmers nonlinear HEMT and MESFET model // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1996. Vol. 44, № 10. P. 1664–1674.
27. Лазарев А. В., Рахимов С. К. Применение GaAs HEMT-технологии для разработки ММИС МШУ // Инновации. Наука. Образование. 2021. № 33. C. 1376–1381.
28. Kameche M., Drozdovski N. V. GaAs-, InP- and GaN HEMT-based microwave control devices: what is best and why // Microwave J. 2005. Vol. 48, № 5. P. 164–173.
29. Moore A., Jimenez J. GaN RF Technology for dummies // TriQuint Special Edition. 2015. Vol. 111. P. 5774.
30. W-band SPDT switches in planar and tri-gate 100-nm gate-length GaN-HEMT technology / F. Thome, E. Ture, P. Brückner, Q. Rüdiger // 11th German Microwave Conf. Piscataway: IEEE, 2018. P. 331–334. doi: 10.23919/GEMIC.2018.8335097
31. Jie M., Fei Y., HuaiYu T. Millimeter-Wave SPDT Switch MMICs With Travelling Wave Concept // IEEE 5th Intern. Conf. on Integrated Circuits and Microsystems. Piscataway: IEEE, 2020. P. 263–266. doi: 10.1109/ICICM50929.2020.9292161
32. Thome F., Ambacher O. Highly isolating and broadband single-pole double-throw switches for millimeter-wave applications up to 330 GHz // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2017. Vol. 66, № 4. P. 1998–2009. doi: 10.1109/TMTT.2017.2777980
33. Meng F., Ma K., Yeo K. S. 2.3 A 130-to- 180GHz 0.0035 mm 2 SPDT switch with 3.3 dB loss and 23.7 dB isolation in 65nm bulk CMOS // IEEE Intern. Solid-State Circuits Conf. Digest of Technical Papers. Piscataway: IEEE, 2015. P. 1–3. doi: 10.1109/isscc.2015.7062852
34. The state-of-the-art of silicon-on-sapphire CMOS RF switches / D. Kelly, C. Brindle, C. Kemerling, M. Stuber // IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symp. 2005. Piscataway: IEEE, 2005. P. 200–203. doi: 10.1109/CSICS.2005.1531812
35. Comparison of bulk and SOI CMOS Technologies in a DSP Processor Circuit Implementation / P. Simonen, A. Heinonen, M. Kuulusa, J. Nurmi // ICM 2001 Proc. The 13th Intern. Conf. on Microelectronics. Piscataway: IEEE, 2001. P. 107–110. doi: 10.1109/ICM.2001.997499
36. Nakamura T., Matsuhashi H., Nagatomo Y. Silicon on sapphire (SOS) device technology // Oki technical review. 2004. Vol. 71, № 4. P. 66–69.
37. Проектирование МОП-переключателей СВЧ-диапазона с высоким уровнем развязки / В. В. Репин, И. И. Мухин, М. Г. Дроздецкий, А. С. Шнитников // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо'2015). 2015. С. 125–126.
38. Comparison of substrate effects in sapphire, trap-rich and high resistivity silicon substrates for RF-SOI applications / V. Sekar, C. C. Cheng, R. Whatley, Ch. Zeng, A. Zeng, A. Genc, T. Ranta, F. Rotella // IEEE 15th Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems. Piscataway: IEEE, 2015. P. 37–39.
39. Компактная макромодель КНИ/КНС МОП-транзистора, учитывающая радиационные эффекты / К. О. Петросянц, Л. М. Самбурский, И. А. Харитонов, А. П. Ятманов // Изв. высших учебных заведений. Электроника. 2011. № 1 (87). С. 20–28.
40. Метелкин И. О., Усачев Н. А., Елесин В. В. Модель изолированного МОП-транзистора для проектирования СВЧ-переключателей сигнала // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо'2015). 2015. C. 111–112.
41. 5G mm-Wave front-end-module design with advanced SOI process / C. Li, M. Wang, T. Chi, A. Kumar // IEEE 12th Intern. Conf. on ASIC. Piscataway: IEEE, 2017. P. 1017–1020. doi: 10.1109/ASICON.2017.8252651
42. Uzunkol M., Rebeiz G. M. 140–220 GHz SPST and SPDT switches in 45 nm CMOS SOI // IEEE Microwave and Wireless Components Let. 2012. Vol. 22, № 8. P. 412–414.
43. Meng F., Ma K., Yeo K. S. 2.3 A 130-to-180GHz 0.0035 mm 2 SPDT switch with 3.3 dB loss and 23.7 dB isolation in 65nm bulk CMOS // IEEE Intern. Solid-State Circuits Conf. Digest of Technical Papers. Piscataway: IEEE, 2015. P. 1–3. doi: 10.1109/isscc.2015.7062852
44. A W-Band SPDT Switch With 15-dBm P1dB in 55-nm Bulk CMOS / L. Chen, Z. G., Y. Sun, T. Hamilton, X. Zhu // IEEE Microwave and Wireless Components Let. 2022. Vol. 32, № 7. P. 879–882.
45. Ning R., Liu T., Shen J. Modeling and analysis of stacked depletion-mode NMOS transistors for RF switch applications // IEEE Intern. Conf, on Electro Information Technology. Piscataway: IEEE, 2017. P. 34–38. doi: 10.1109/EDTM.2017.8000254
46. A 94 GHz, 1.4 dB Insertion Loss Single-Pole Double-Throw Switch Using Reverse-Saturated SiGe HBTs / R. L. Schmid, A. C. Ulusoy, P. Song, J. D. Cressler // IEEE Microwave and Wireless Components Let. 2014. Vol. 24, № 1. P. 56–58. doi: 10.1109/LMWC.2013.2288276
47. Ковалев А. Н. Биполярные гетеротранзисторы на основе SiGe и aIIIbv // Изв. высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2008. № 2. С. 4–21.
48. Мухин И. И., Репин В. В. Применение SiGe БиКМОП-технологии для построения МИС дискретного фазовращателя, использующего принцип векторного сложения // Микроэлектроника СВЧ: сб. тр. Всерос. конф. Т. 2. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2012. С. 120–122.
49. Dong H., Chen J., Hou D. A Compact Bidirectional K and Ka Band SPDT in 0.13μm SiGe BiCMOS Process // IEEE Intern. Symp. on Radio-Frequency Integration Technology. Piscataway: IEEE, 2018. P. 1–3.
50. Avenier G., Chevalier P., Troillard G. et al. 0.13 μm SiGe BiCMOS technology for mm-wave applications // IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. Piscataway: IEEE, 2008. P. 89–92. doi: 10.1109/BIPOL.2008.4662719
51. Ulusoy A. C., Song P., Schmid R. L. et al. A low-loss and high isolation D-band SPDT switch utilizing deep-saturated SiGe HBTs // IEEE Microwave and Wireless Components Let. 2014. Vol. 24, № 6. P. 400–402. doi: 10.1109/LMWC.2014.2313529
Рецензия
Для цитирования:
Торина Е.М., Кочемасов В.Н., Сафин А.Р. Транзисторы для твердотельных СВЧ-переключателей (обзор). Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2023;26(3):6-31. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2023-26-3-6-31
For citation:
Torina E.M., Kochemasov V.N., Safin A.R. Transistors for Solid-State Microwave Switches (A Review). Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2023;26(3):6-31. (In Russ.) https://doi.org/10.32603/1993-8985-2023-26-3-6-31
Просмотров: 182
Послать статью по эл. почте 