肖特基二極管噪聲電壓研究范文

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《微波學(xué)報(bào)》2015年第S1期

摘要:

在太赫茲焦平面成像等系統(tǒng)中，GaAs肖特基二極管作為太赫茲?rùn)z測(cè)的核心器件，其噪聲特性直接影響太赫茲探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。討論了GaAs肖特基二極管在不同直流偏壓下加載給負(fù)載的熱噪聲電壓、散粒噪聲電壓、總噪聲電壓，并給出了相應(yīng)的解析解。同時(shí)，建模模擬了太赫茲混頻前端，并利用諧波平衡法對(duì)理論公式進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。對(duì)太赫茲像元與陣列芯片的噪聲機(jī)理以及提高芯片的噪聲性能研究，改善芯片噪聲特性，從而提高太赫茲焦平面成像系統(tǒng)靈敏度具有重要意義和作用。

關(guān)鍵詞:

太赫茲GaAs，肖特基二極管，偏置電壓，熱噪聲，散粒噪聲，噪聲電壓

太赫茲焦平面成像可以應(yīng)用到火車(chē)站、飛機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)合中，可有效檢測(cè)行李和貼身攜帶的手槍、刀具、、炸藥等［1］，對(duì)公共安全、反恐起到了重要作用。太赫茲焦平面成像系統(tǒng)的核心功能之一是能夠檢測(cè)到目標(biāo)的太赫茲輻射，因此，太赫茲前端是實(shí)現(xiàn)太赫茲應(yīng)用的基礎(chǔ)。雖然相對(duì)于SIS(超導(dǎo)－絕緣－超導(dǎo))結(jié)、HEB(熱釋電測(cè)輻射熱計(jì))探測(cè)器，肖特基二極管靈敏度低，但其可以工作在室溫環(huán)境下、成本低、在太赫茲頻段有快的響應(yīng)速率的優(yōu)點(diǎn)，使其成為太赫茲焦平面成像像元的核心器件，近年來(lái)，隨著材料和工藝水平的提高，肖特基二極管本身的性能也在不斷提升。

鑒于目前太赫茲頻段三端器件的匱乏，肖特基二極管作為太赫茲焦平面成像前端系統(tǒng)的核心器件，多采用直接檢波或外差混頻方式檢測(cè)太赫茲信號(hào)。由系統(tǒng)的噪聲級(jí)聯(lián)公式可知，其噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能起到?jīng)Q定性作用，研究高頻寄生參量和偏置電壓對(duì)肖特基二極管噪聲的影響，對(duì)二極管模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大程度上減小工作狀態(tài)時(shí)的噪聲具有重要意義和作用。本文分析了肖特基二極管的噪聲來(lái)源，依集總參數(shù)元件的等效電路模型(LEC)［2］，用寄生電感、寄生電容表征了在太赫茲頻段時(shí)載流子慣性和未耗盡區(qū)域的位移電流的影響［3］，推導(dǎo)了常溫時(shí)(298K)寄生參量影響下負(fù)載獲得肖特基二極管噪聲電壓的解析解。采用諧波平衡法(HB)，利用ADS建模模擬太赫茲像元并驗(yàn)證了解析解的正確性。通過(guò)解析解得到了單位帶寬內(nèi)散粒噪聲電壓、熱噪聲電壓隨肖特基二極管偏置電壓的變化趨勢(shì)。

1肖特基二極管等效電路

圖1所示的肖特基二極管等效電路中，Rj(v)是非線(xiàn)性電阻，是二極管的核心等效元件，Cj(v)是結(jié)電容，Rs是級(jí)聯(lián)電阻，以及寄生電容Cp和電感。

2肖特基二極管噪聲及噪聲電壓的解析解

肖特基二極管是太赫茲焦平面成像陣列芯片的核心器件，目前大多采用天線(xiàn)與二極管單片集成構(gòu)成檢波/混頻天線(xiàn)的方式檢測(cè)信號(hào)，其噪聲特性對(duì)太赫茲焦平面成像系統(tǒng)的靈敏度起到?jīng)Q定性作用。肖特基二極管產(chǎn)生的噪聲有結(jié)電阻Rj產(chǎn)生的散粒噪聲，級(jí)聯(lián)電阻Rs產(chǎn)生的熱噪聲，量子散射噪聲和GaAs中的谷間散射噪聲［4］，常溫下起主導(dǎo)作用的是散粒噪聲和熱噪聲，谷間散粒噪聲占全部二極管噪聲的5%～10%［5］，在這里不作考慮。

2．1散粒噪聲電壓的解析解散粒噪聲是由于在二極管中有勢(shì)壘存在，載流子各自獨(dú)立而隨機(jī)地通過(guò)勢(shì)壘所引起的噪聲，其產(chǎn)生噪聲電流的均方根為

2．2熱噪聲電壓的解析解熱噪聲主要由級(jí)聯(lián)電阻Rs產(chǎn)生，其產(chǎn)生的熱噪聲電壓為:熱噪聲主要由級(jí)聯(lián)電阻Rs產(chǎn)生，從級(jí)聯(lián)電阻端看上去的總阻抗為:

2．3總噪聲電壓實(shí)際情況中散粒噪聲電壓和熱噪聲電壓共同作用到負(fù)載上，兩電壓具有相同的頻率和不同的相位、幅度關(guān)系。因此兩者具有相關(guān)性。可以通過(guò)求解功率的方式求解平均噪聲電壓，總噪聲電壓應(yīng)為。

3理論公式與諧波平衡法對(duì)比

太赫茲焦平面成像系統(tǒng)前端陣列的每個(gè)像素由太赫茲混頻器構(gòu)成。為了準(zhǔn)確的模擬太赫茲焦平面成像像元的檢波、混頻功能，從而分析肖特基二極管的噪聲特性，需要知道肖特基二極管的參數(shù)以及基本的高頻寄生參量。根據(jù)肖特基二極管的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用origin的曲線(xiàn)擬合功能fitting求解參數(shù)，得級(jí)聯(lián)電阻12．7Ω、飽和電流9fA、理想因子n=1．2(298K)，設(shè)置寄生電容Cp=10fA和引線(xiàn)電感Ls=50pH［6］。則可以用MATLAB對(duì)解析解編程求解，與諧波平衡法仿真進(jìn)行比較。設(shè)置本振頻率Lo=222GHz，射頻頻率采用大氣窗口頻率RF=220GHz，中頻IF=2GHz，為了模擬外差式饋入［7］采用雙頻率源，前端的帶通濾波器模擬天線(xiàn)的選頻特性，仿真原理圖如圖3。單位帶寬內(nèi)，負(fù)載獲得噪聲電壓的諧波平衡法仿真數(shù)據(jù)與MATLAB處理理論公式得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。將諧波平衡法仿真數(shù)據(jù)與MATLAB處理公式得到的數(shù)據(jù)放在同一數(shù)據(jù)中相比，數(shù)據(jù)基本一致。基于上述模型，對(duì)整個(gè)等效電路來(lái)說(shuō)，貢獻(xiàn)給負(fù)載的熱噪聲的電壓隨偏壓的加大不斷提高，散粒噪聲的電壓隨偏壓的變化先增大后減小，在開(kāi)啟電壓0．75V時(shí)有最大值，而總的噪聲電壓在0．8V有最大值。

4總結(jié)

本文以室溫下工作在太赫茲頻段的肖特基二極管為研究對(duì)象，根據(jù)寄生參量的等效電路模型推導(dǎo)了加載到負(fù)載的熱噪聲電壓、散粒噪聲電壓解析解。以肖特基二極管的等效電路建模搭建了工作在220GHz的太赫茲單端混頻器模擬太赫茲焦平面成像像元，通過(guò)ADS仿真驗(yàn)證了噪聲電壓解析解的正確性。得到了常溫下熱噪聲電壓、散粒噪聲電壓隨肖特基二極管偏置電壓的變化趨勢(shì)。本文對(duì)二極管模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的靈敏度具有重要意義。

作者：?jiǎn)毯| 李亮 默江輝 郭大路 呂昕 單位：毫米波與太赫茲技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北半導(dǎo)體研究所 國(guó)家專(zhuān)用集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室