一種基于SPiN二極管的高集成可重構(gòu)天線

蘇 漢, 王華劍

(武警工程大學(xué)信息工程學(xué)院，西安，710086)

隨著無(wú)線通信、人工智能、衛(wèi)星導(dǎo)航和移動(dòng)終端之間的聯(lián)系越來(lái)越密切，通信需求的高速發(fā)展使得傳統(tǒng)天線系統(tǒng)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)在PCB或其他介質(zhì)板上，該天線具有體積大、重構(gòu)性能差以及集成度低等缺點(diǎn)。此外，金屬(銅或鋁)作為天線基本輻射單元，使得天線的隱身性能大大降低，限制了天線系統(tǒng)向小型化、智能化和集成化方向發(fā)展[1]。因此，利用可重構(gòu)天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線系統(tǒng)的智能化成為了無(wú)線通信領(lǐng)域的重要研究方向之一。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員通常采用兩種方法實(shí)現(xiàn)天線性能的重構(gòu)：一種是在預(yù)先設(shè)計(jì)的孔徑上使用射頻開(kāi)關(guān)(PIN二極管，場(chǎng)效應(yīng)晶體管和MEMS等)，另一種是采用多天線系統(tǒng)[2-4]。射頻開(kāi)關(guān)以及多天線系統(tǒng)的存在將會(huì)極大地降低天線系統(tǒng)集成度和重構(gòu)靈活性，難以滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的需求。本文提出了一種基于固態(tài)等離子體表面PiN(SPiN)二極管的新型高集成可重構(gòu)天線，通過(guò)控制不同二極管單元的導(dǎo)通與截止實(shí)現(xiàn)天線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，具有工作頻段切換靈活、輻射方向范圍寬、高集成度易于實(shí)現(xiàn)小型化、且與半導(dǎo)體硅工藝相兼容等眾多優(yōu)勢(shì)，未來(lái)在國(guó)防通訊與雷達(dá)技術(shù)方面具有重要的應(yīng)用前景。

SPiN二極管取代金屬作為硅基天線的基本組成部分，當(dāng)在該二極管上施加正向偏壓時(shí)會(huì)在本征區(qū)內(nèi)部形成固態(tài)等離子體區(qū)域。此時(shí)，本征區(qū)內(nèi)的載流子濃度超過(guò)1018cm-3，二極管具備類(lèi)金屬特性可作為天線輻射單元，實(shí)現(xiàn)電磁波的輻射、傳輸與接收。由于等離子體區(qū)域的電導(dǎo)率與載流子濃度密切相關(guān)，SPiN二極管陣列單元采用絕緣體上硅(SOI)技術(shù)將載流子限定在頂層硅中，使得本征區(qū)內(nèi)部載流子的濃度進(jìn)一步提升。本文設(shè)計(jì)了一種基于SPiN二極管的硅基可重構(gòu)單極子天線，并通過(guò)控制不同輻射單元的導(dǎo)通與截止改變單極子天線的等離子體區(qū)域?qū)崿F(xiàn)兩種不同的工作狀態(tài)。同時(shí)，高電阻率硅襯底的引入有助于減少襯底介質(zhì)與外界電磁波之間的相互耦合，從而改善天線系統(tǒng)的集成度和天線的輻射性能[5-7]。

1 固態(tài)等離子體SPiN二極管

1.1 二極管工作機(jī)制

在傳統(tǒng)天線系統(tǒng)中，PIN二極管作為射頻開(kāi)關(guān)器件，是一種垂直器件，通過(guò)控制PIN二極管的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)天線性能的重構(gòu)。與傳統(tǒng)PIN二極管相比，硅基固態(tài)等離子體SPiN二極管是一種橫向半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該二極管包含四個(gè)部分：有源區(qū)(P+和N+)、本征區(qū)、二氧化硅層和金屬接觸區(qū)。根據(jù)理論分析和仿真優(yōu)化結(jié)果，本征區(qū)長(zhǎng)度L為50 μm(由載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度決定)，本征區(qū)寬度為20 μm，本征區(qū)深度D為80 μm(由電磁波頻率和趨膚深度之間的關(guān)系確定)[8]。此外，該二極管在本征區(qū)四周還設(shè)置有環(huán)形絕緣體，隔離環(huán)的存在可避免載流子在兩個(gè)相鄰SPiN二極管之間的橫向擴(kuò)散，從而進(jìn)一步提升本征區(qū)內(nèi)部固態(tài)等離子體濃度和分布均勻性。

圖1 SPiN二極管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)在該二極管上施加正向偏壓時(shí)，有源區(qū)(N+和P+)內(nèi)的載流子(電子和空穴)向本征區(qū)內(nèi)部擴(kuò)散并發(fā)生復(fù)合。當(dāng)本征區(qū)內(nèi)部載流子產(chǎn)生與復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，二極管處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)本征區(qū)內(nèi)部載流子濃度可超過(guò)1018cm-3，等離子體區(qū)域的電導(dǎo)率非常高，具備類(lèi)金屬特性，可作為天線基本輻射單元實(shí)現(xiàn)電磁波的輻射、接收和傳輸[9-11]。此外，當(dāng)沒(méi)有正向偏壓施加在二極管兩端時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)本征區(qū)內(nèi)部沒(méi)有高濃度固態(tài)等離子體，二極管相當(dāng)于一種電介質(zhì)，不與外界電磁波相互耦合，大大提高了天線系統(tǒng)的隱身性能。

1.2 固態(tài)等離子體濃度和分布模型

固態(tài)等離子體濃度是SPiN二極管的主要特性參數(shù)，濃度大小和分布均勻性直接影響到硅基天線系統(tǒng)的輻射特性。因此，載流子在本征區(qū)內(nèi)部濃度和分布模型的研究對(duì)硅基可重構(gòu)天線的研究至關(guān)重要。

P型有源區(qū)與本征區(qū)界面Pi結(jié)處的載流子濃度(x=xp)可以表示為：

(1)

γ1=exp[(VPi-VD1)/φT]

(2)

mop=pop-nop,moi=noi-poi

(3)

式中：VPi是Pi結(jié)的電壓；VD1是Pi結(jié)的接觸電勢(shì)差。mop和moi是本征區(qū)的多數(shù)載流子；pop和nop是P+區(qū)的穩(wěn)定空穴和電子濃度；poi和noi是本征區(qū)的穩(wěn)定空穴和電子濃度[12]。

假設(shè)雜質(zhì)完全電離，則式(1)可表示為：

(4)

式中：NA是P+區(qū)域的摻雜濃度；Nd是本征區(qū)的摻雜濃度。式(4)可以簡(jiǎn)化為：

p(xp)≈γ1NA

(5)

類(lèi)似的，N型有源區(qū)與本征區(qū)界面Ni結(jié)處的載流子濃度(x=xn)可以表示為：

p(xn)≈γ2ND

(6)

式中：ND是N+區(qū)的摻雜濃度。

因此，載流子濃度公式的系數(shù)可以表示為：

(7)

(8)

其中:

式中：VD2是Ni結(jié)的接觸電勢(shì)差。

因此，本征區(qū)內(nèi)的固態(tài)等離子體濃度模型可以描述為：

(9)

基于以上研究，得到了本征區(qū)內(nèi)部固態(tài)等離子體濃度和分布模型，為二極管和硅基天線的理論仿真與工藝制備奠定了基礎(chǔ)，驗(yàn)證了SPiN二極管設(shè)計(jì)的有效性。

2 二極管實(shí)驗(yàn)分析

圖2為制備的SPiN二極管樣品，通過(guò)二極管結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)以及理論模型的優(yōu)化，得到了具有高濃度載流子的等離子體器件。通過(guò)在金屬電極上施加正向偏壓以產(chǎn)生高濃度的固態(tài)等離子體區(qū)域，同時(shí)在本征區(qū)四周形成環(huán)形絕緣實(shí)現(xiàn)載流子隔離。SPiN二極管在SOI襯底上制備而成，實(shí)驗(yàn)中選用高電阻率的硅襯底：相對(duì)介電常數(shù)為11.8，損耗角正切為0.01，電導(dǎo)率約為3 S/m，有助于弱化硅襯底與外界電磁波之間的耦合，從而進(jìn)一步改善天線系統(tǒng)的集成度和輻射性能。二極管制備的整個(gè)過(guò)程均在室溫下進(jìn)行。

圖2 SPiN二極管樣品

制備的SPiN二極管正向I-V特性仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，該二極管的開(kāi)啟電壓約為0.8 V，此時(shí)載流子處于大注入水平，隨著電壓的進(jìn)一步增加，二極管達(dá)到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)電壓和電流分別為2 V和0.1 A。同時(shí)，該二極管具有良好的正向特性，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果吻合良好。

圖3 SPiN二極管I-V特性

為了進(jìn)一步研究該二極管的固態(tài)等離子體微波特性，本文分析了二極管內(nèi)部載流子濃度和分布情況，如圖4所示。

從圖4中可以看出，二極管內(nèi)部固態(tài)等離子體濃度超過(guò)1018cm-3，且濃度最小值達(dá)到了6×1018cm-3。此時(shí)，等離子體區(qū)域的電導(dǎo)率非常高，代替金屬與外界電磁波相互耦合，可以極大地改善天線的性能。由式(9)可得到二極管內(nèi)部載流子分布模型，載流子在本征區(qū)內(nèi)部呈現(xiàn)一種“懸鏈?zhǔn)健狈植?，二極管兩端濃度最高，越往中心區(qū)域濃度越低，這是由于電子和空穴的復(fù)合形成的。此外，二極管正向特性的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互吻合，結(jié)果之間微小的偏差可能來(lái)源于載流子摻雜和擴(kuò)散不均勻。

圖4 載流子濃度和分布

3 硅基可重構(gòu)單極子天線

基于以上研究成果，本文設(shè)計(jì)了一種基于優(yōu)化SPiN二極管的硅基固態(tài)等離子體可重構(gòu)單極子天線，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 可重構(gòu)單極子天線結(jié)構(gòu)示意圖

從圖中可以看出，該單極子天線系統(tǒng)由5個(gè)部分組成：天線導(dǎo)體(單元1和單元2)，同軸線，偏置線(A1，A2和A3)，接地面和SOI襯底。該單極子天線水平放置，并且所有系統(tǒng)部件均通過(guò)半導(dǎo)體工藝設(shè)計(jì)在單個(gè)硅襯底上。該天線包含兩部分等離子體區(qū)域：?jiǎn)卧?和單元2，單元1的長(zhǎng)度為8.5 mm，單元2的長(zhǎng)度為7.5 mm，不同導(dǎo)體單元均由相同的優(yōu)化SPiN二極管排列串聯(lián)而成。表1為天線的兩種工作狀態(tài)，通過(guò)動(dòng)態(tài)控制不同單元的導(dǎo)通與截止來(lái)改變等離子體區(qū)域的有效長(zhǎng)度從而實(shí)現(xiàn)天線性能的重構(gòu)，使其重構(gòu)性能和集成性能相比于金屬天線系統(tǒng)大大提升。

表1 單極子天線重構(gòu)模式

可重構(gòu)單極子天線在兩種工作狀態(tài)下的S參數(shù)隨頻率變化的曲線如圖6所示。從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的硅基單極子天線實(shí)現(xiàn)了諧振頻率在8.83 GHz和9.71 GHz的兩種重構(gòu)模式，且|S11|最小值達(dá)到了-20 dB左右。

圖6 可重構(gòu)單極子天線S參數(shù)

圖7為該單極子天線在兩種狀態(tài)下的輻射方向圖(θ=90°和φ=0°)。從圖中可以看出，該天線顯示出良好的輻射性能，在兩種工作狀態(tài)下的最大增益分別達(dá)到了1.68 dB和2.04 dB。 表2為該可重構(gòu)單極子天線的其他輻射參數(shù)。

圖7 單極子天線輻射方向圖

表2 單極子天線其他輻射參數(shù)

圖8為該硅基單極子天線在不同工作狀態(tài)下的表面電流和電場(chǎng)強(qiáng)度分布。從圖8(a)中可以看出，在工作模式1下單元1的表面電流分布很強(qiáng)，驗(yàn)證了該天線諧振模式在8.8 GHz時(shí)的工作狀態(tài)主要由單元1被激勵(lì)。同時(shí)，單元2的表面電流分布很小，在這種情況下，該部分類(lèi)似于電介質(zhì)材料不與外界電磁波相互耦合。類(lèi)似地，當(dāng)該單極子天線工作在模式2時(shí)，單元2上會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的表面電流分布。此外，本文還研究了單極子天線在兩種狀態(tài)下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，如圖8(b)所示，驗(yàn)證了硅基天線設(shè)計(jì)的有效性。

圖8 天線在不同工作狀態(tài)下的電流和電場(chǎng)強(qiáng)度分布

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種基于SPiN二極管的新型硅基固態(tài)等離子體可重構(gòu)單極子天線，優(yōu)化并制備了SPiN二極管陣列單元，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二極管本征區(qū)內(nèi)部的載流子濃度超過(guò)1018cm-3。此外，SOI技術(shù)的引入可進(jìn)一步提高二極管的性能。基于優(yōu)化得到的高性能SPiN二極管，提出了一種硅基固態(tài)等離子體可重構(gòu)單極子天線，得到了兩種諧振頻率(8.83 GHz和9.71 GHz)的重構(gòu)狀態(tài)，天線其他輻射參數(shù)也表現(xiàn)出良好的輻射性能，具有工作頻段切換靈活、輻射方向范圍寬、高集成度易于實(shí)現(xiàn)小型化、且與半導(dǎo)體硅工藝相兼容等眾多優(yōu)勢(shì)，為硅基固態(tài)等離子體可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了有益的參考和指導(dǎo)。