GaAs相關多普勒放大器的抗靜電設計

紀新峰，李宏民，胡 丹，張紅旗，張好軍

(1.中國空空導彈研究院, 河南 洛陽 471009； 2.中國電子科技集團第十三研究所， 石家莊 050002)

靜電以其普遍性、隨機性、隱蔽性、潛在性和復雜性，成為多個行業不可忽視的問題，特別是對于砷化鎵器件，其危害更是巨大[1-5]。

GaAs相關多放由GaAsMESFET高速模擬開關和帶通濾波器兩部分組成，它的可靠性直接影響到雷達接收機和整個系統的穩定性。GaAs開關有優異的速度性能，由于GaAs材料本身擊穿電壓低，抗靜電能力較差，因此該器件是靜電敏感器件，其是雷達接收機抗靜電的薄弱環節。在生產過程中，靜電放電(ESD)是導致GaAs開關失效的主要原因之一，在器件的裝配、測試、運輸等過程中極易受到靜電放電的損傷[4-5]。在某重點型號導彈的研制和生產中已發生多例靜電損傷的故障，因此需要在芯片外圍引入抗靜電保護電路，在不影響GaAs開關速度和系統性能指標的情況下，提高器件的抗靜電能力，提高雷達系統的可靠性。

本文對GaAs相關多放靜電敏感端口設計了硅(Si)隔離和雙二極管網絡的靜電放電保護電路，實現了高抗靜電能力下的納秒脈沖相關信號處理，靜電試驗驗證表明，器件的抗靜電能力從200 V提高到了1 400 V，產品有良好的線性、與TTL電平兼容和高隔離度，滿足雷達系統的性能指標要求。

1 GaAs相關多放原理和GaAsMESFET器件靜電失效機理

1.1 GaAs相關多放的原理

GaAs相關多放的電路如圖1所示，它由GaAs開關和運放LMH6645構成的有源帶通濾波器兩部分組成。GaAs開關為GaAsMESFET串并組合的形式，其具有優異的速度性能，開關選通前后沿均小于5 ns，開關延遲不大于10 ns，控制信號泄露不大于40 mV，開關輸出幅度不小于1 V，滿足整機性能要求。

圖1 抗靜電改進前相關多放電路框圖

GaAs高速開關完成相關信號的選通功能，設計開關的控制脈沖與導彈回波脈沖相關，適當調節控制脈沖與回波脈沖之間的延時，就可以提取多普勒窄脈沖信號。開關選取的信號，通過后級的帶通運算放大器濾波和放大后，提取出多普勒正弦信號。抗靜電能力是相關多放性能的一個重要指標，經過端口測試，GaAs高速開關由于GaAs材料本身擊穿電壓低，其中控制柵極最為薄弱[4]，端口的抗靜電能力僅為200 V；帶通濾波器用運放選用的是LMH6645，其為Si材料單片，抗靜電能力較強(大于2 000 V)，因此，抗靜電能力提升前，相關多放的抗靜電能力僅為200 V。GaAs高速開關制約了相關多放的抗靜電能力，因此，抗靜電能力提升的關鍵是提高GaAs開關的抗靜電能力。

1.2 GaAsMESFET器件靜電失效機理

GaAsMESFET柵條金屬下部有一個肖特基勢壘，沒有靜電時勢壘很薄如圖2(a)所示。當柵條帶有大量負電荷，由于靜電感應勢壘附近的n-GaAs內負電荷被排斥到遠處，肖特基勢壘附近就增加了正電荷，又G-S、G-D間距很小，當柵條下部肖特基勢壘變厚時，靠近柵條的源及漏邊緣也帶有正電荷，如圖2(b)所示[3-4]。

圖2 肖特基勢壘區的電荷分布示意圖

GaAsMESFET帶靜電瞬間(<200 ns)電荷重新分布，柵條及其下部n-GaAs內產生瞬時大電流。與此同時，G-S間形成很高的電位差，根據E=U(v/d)(U為與電極形狀和勢壘形狀有關的系數，U≥1)，較小的靜電壓在G-S極間會產生很強的靜電場。若柵條邊緣不整齊或有毛刺，則靜電更加高度集中，而毛刺又使G-S(或G-D)間距更小，使電場更強。在瞬間大電流和靜電高電壓作用下，器件便發生靜電損傷失效，靜電損傷失效可以分為功率型大電流失效和電壓型強電場失效。另外，由于材料缺陷，表面清洗不干凈或在柵挖槽時不均勻，局部深陷，則柵金屬縱向形成針狀尖端，同樣會靜電集中造成損傷和破壞。

2 靜電放電的人體模型(HBM)

靜電模型包括人體模型(HBM)、人體-金屬模型(BMM)、帶電器件模型(CDM)、帶電芯片模型(CCM)、場感應模型(FICDM)、機器模型(MM)、家具模型及場增強型模型[6]。電容器串聯一電阻是較為合理的人體電氣模型，GJB548B《微電子器件試驗方法和程序》方法3015采用了人體模型模擬帶電人體指尖與接地物體指尖產生的靜電放電[7]，該模型的靜電放電敏感度測試原理圖如圖3所示，其中，C1為模型中人體的電容值，C1取100 pF±10%；R2為模型中人體的電阻，R2取1 500 Ω±1%；R1為106～107Ω，100 pF-1 500 Ω的人體模型是合理的元器件ESD敏感度標準試驗電路。

從圖3所示的電路中，用100 pF的電容串聯1 500 Ω的電阻來模擬人體放電，人體放電的電流瞬時值近似為[6-7]

圖3 ESD分級試驗電路(人體模型)圖

(1)

式中：U0為高壓源模擬施加的人體電壓；R2為人體電阻；C1為人體對地電容。靜電放電的電流波形如圖4所示，其中，上升時間tr小于10 ns，衰減時間td為150±20 ns;Ip為峰值電流；Ir為振蕩電流(瞬擾)。

圖4 人體模型ESD的電流波形

3 相關多放的抗靜電設計

根據1.1節和1.2節GaAs開關電路結構和GaAs材料靜電失效機理可知，GaAs開關對外端口是控制端、開關輸入端和輸出端，因此需要在控制端、輸入端和輸出端引入外圍保護電路以提高器件的抗靜電能力。

3.1 Si隔離型抗靜電設計

正如1.2節所述，無論是功率型大電流失效，還是電壓型強電場失效，其根源都是高壓靜電的作用下柵條上產生了高密度的電荷。控制柵極是GaAsMESFET抗靜電的最薄弱環節，可以采取耐靜電能力高的器件，緩沖隔離敏感端口控制柵極和外界的端口接觸[8-9]，同時要求該隔離器件延時小，不影響開關控制信號的脈沖幅度和脈沖前后沿。

控制柵極的隔離器件設計如圖5所示，該隔離器件為Si開關驅動器，其由Si雙非門(N1與N2)、Si穩壓管和一個電阻組成，作為開關控制信號產生電路。其中，非門N1代替圖1中所示開關管GaAsMESFET T5，非門N1的輸出控制GaAs串聯開關的柵極；非門N2的輸出控制GaAs并聯開關的柵極。當開關驅動器的控制端TTL高電平時，GaAs串聯開關的控制信號為低電平，串聯開關關斷，控制并聯開關的信號為高電平，并聯開關導通，這時開關組合為關斷態。相反，當驅動器的控制端為低電平時，開關組合為導通態。

同時，在隔離器件的輸入端口增加電阻泄放通道R6和R7，如圖5所示，電阻在電路中可以起到分流分壓的作用，其優點是成本低，具備雙向(正負脈沖)保護作用，電阻的ESD保護效果和電阻的阻值相關，可以通過試驗進行不斷的調試。經對比分析，R6取1 kΩ，R7取300 Ω，既有效避免了靜電損傷又最大限度減小了GaAs開關電性能的惡化。

圖5 抗靜電改進后相關多放電路框圖

Si高速非門實現了GaAsMESFET的控制柵極與外部數字信號的緩沖隔離，同時，減少一個MESFET開關管T5。改進后，Si高速非門耐電沖擊能力比改進前GaAs器件大得多，具有很好的電磁兼容性能，所以有很好的抗電沖擊能力。

3.2 雙二極管網絡型抗靜電設計

二極管的鉗位電壓低，對小信號下電路的電特性影響小，其廣泛應用于電子電路的抗靜電設計[8-10]。其缺點是在功率較大時會對信號產生衰減，并且隨著信號增強衰減越大，產生限幅的作用。GaAs開關的輸入為經過視頻放大器和視頻分路器后的小信號，二極管對輸入信號的影響很小。在輸入/輸出端口采用雙二極管網絡靜電防護電路，其中，正向二極管作為正脈沖靜電的保護通路，反向偏置二極管作為負脈沖靜電的保護通路。

GaAs相關多放雙二極管網絡靜電保護電路如圖5所示，在GaAs開關輸入端添加兩個二極管L1和L2，輸出端添加兩個二極管L3和L4。

L1、L2和L3、L4是分別接在輸入端口和輸出端口的限幅二極管，利用其正向特性，可使ESD嵌位并泄放靜電。設限幅二極管正向電阻為Rd，GaAs開關輸入端/輸出端的安全電壓為Vin，靜電源內阻為Rp，增加二極管后能承受的電壓為Vp，加上嵌位二極管后，GaAs輸入/輸出端口能承受的電壓近似為[11-12]

(2)

一般情況下，二極管正向電阻Rd很小，因此，采用兩個二極管有很大的保護范圍。抗靜電設計中選擇SKYWORKS公司的兩個CLA4602-000作為正向和反向二極管，其結電容為0.2 pF，導通電阻為2 Ω，恢復時間不大于5 ns，靜電源電阻Rp近似為人體電阻1 500 Ω，GaAs開關輸入端/輸出端的安全電壓約為3 V，代入式(2)后可得，輸入/輸出端口能承受的電壓約為2 250 V。

4 測試結果和驗證

綜上所述，采用3.1節Si開關驅動器隔離及電阻泄放通路和3.2節雙二極管網絡對相關多放的GaAs開關控制端、輸入端和輸出端進行抗靜電保護，分別加工制作4只未加抗靜電保護電路的模塊和4只加抗靜電保護的模塊，驗證相關多放的抗靜電能力和對雷達接收機性能的影響程度。

4.1 抗靜電能力驗證

基于GJB548B《微電子器件試驗方法和程序》方法3015的靜電放電人體模型，如圖3所示，采用ESD模擬器ESS-200AX對加抗靜電保護電路和未加抗靜電保護電路的8只相關多放的GaAs開關對外引腳進行靜電放電試驗。GaAs開關部分的對外引腳主要有4個：開關控制端、開關輸入端、開關輸出端、地，分別對這4個引腳兩兩組合進行試驗(正反各3次)。試驗前后分別測試GaAs開關的控制信號泄露、開關選通前后沿、開關延遲和開關輸出幅度。通常情況下，器件受到的靜電電壓超過其能承受能力后，其電性能會變化。考慮GaAs開關未加靜電保護電路前抗靜電能力為200 V，故對4只未加抗靜電保護電路的GaAs開關部分施加300 V的靜電進行試驗，試驗前后GaAs開關的主要性能參數如表1所示。

表1 300 V靜電放電試驗前后測試結果

由表1可知：未加靜電保護的相關多放施加300 V的靜電后，開關性能急劇惡化，控制信號泄露很小，開關輸出波形畸變嚴重，輸出幅度衰減大。

將電性能指標異常的相關多放GaAs開關拆下，用顯微鏡進行放大檢查，GaAs開關內部燒毀情況如圖6所示。編號1～4中，標號1處為并聯開關控制柵處燒毀，標號2處為串聯開關控制柵處燒毀，且均呈濺射狀，從內部形貌來看，說明其在短時間內經受了瞬間高電壓，從形貌上判斷屬于靜電放電損傷所致，因此，樣品是由于靜電放電分別引起4只GaAs開關控制柵極處擊穿，從而導致其工作異常而失效。試驗結果進一步說明，抗靜電能力改進前控制柵極是GaAs開關抗靜電能力的薄弱環節。

圖6 相關多放GaAs開關損傷圖

對加抗靜電保護電路的相關多放開關部分施加1 400 V的靜電進行試驗，試驗前后GaAs開關的主要性能參數如表2所示。加過靜電保護電路的GaAs開關經過1 400 V的靜電放電試驗后，控制信號泄露、開關選通前后沿、開關延遲基本不變，開關輸出幅度衰減略微增大，但在指標合格范圍內。

表2 1 400 V靜電放電試驗前后測試結果

為了進一步對抗靜電改進后相關多放的靜電承受能力進行摸底，對4只抗靜電改進后的模塊繼續施加1 500 V的靜電進行試驗，試驗前后GaAs開關的主要性能參數如表3所示。由表3可知，加靜電保護的相關多放模塊施加 1 500 V 的靜電后，與未加靜電防護的相關多放模塊施加300 V的靜電測試結果一樣，開關性能急劇惡化，控制信號泄露很小，開關輸出波形畸變嚴重，輸出幅度衰減大，其屬于靜電放電損傷所致。

表3 1 500 V靜電放電試驗前后測試結果

綜上所述，加靜電保護電路后，GaAs相關多放的抗靜電能力從200 V提高到了1 400 V，開關性能指標基本不變。

4.2 雷達接收機性能測試

為了驗證GaAs相關多放抗靜電改進前后對雷達接收機性能的影響，選用未加靜電保護電路和加靜電保護電路的相關多放模塊進行接收機輸出幅度和接收機動態噪聲特性測試。

雷達接收機由視頻放大器、視頻分路器和GaAs相關多放組成，接收收發組件的多普勒調制脈沖小信號進行放大。抗靜電改進前后，接收機輸出幅度隨不同輸入信號的變化曲線如圖7所示。

圖7 抗靜電改進前后接收機輸出變化曲線

由圖7可知：當輸入信號幅度達到5 mV左右時，接收機即進入飽和狀態，砷化鎵開關輸入/輸出端鉗位二極管對信號的展寬和限幅效果未對接收機輸出信號幅度造成明顯影響，抗靜電改進前后針對不同幅度輸入信號的輸出曲線基本一致，即增益基本一致。

噪聲測試分為靜態噪聲測試和動態噪聲測試。靜態噪聲是指產品輸入端開路(不加輸入信號)、只為產品加電的情況下，接收機的輸出噪聲；動態噪聲是指產品加電、輸入端加輸入信號，當輸入信號與控制信號不相關時接收機的輸出噪聲。靜態噪聲測試數據如表4所示。

表4 抗靜電改進前后接收機靜態噪聲 mVpp

由表4可知：相關多放抗靜電改進前后，靜態噪聲水平相當，抗靜電改進不影響產品的靜態噪聲。抗靜電改進前后動態噪聲測試數據如圖8所示。由圖8測試結果可知，抗靜電改進前后接收機動態噪聲基本一致。

圖8 抗靜電改進前后接收機動態噪聲變化曲線

5 結論

根據GaAs器件的靜電失效機理和相關多放模塊的電路結構，設計了硅(Si)隔離和雙二極管網絡的靜電保護電路，硅(Si)器件建立了敏感芯片核心區域和電壓及電流的緩沖隔離，雙向對稱導通的雙二極管網絡有利于泄放大電流。試驗驗證表明：GaAs相關多放的抗靜電能力從200 V提高到了1 400 V，開關選通前后沿均小于5 ns，開關延遲不大于10 ns，控制信號泄露不大于40 mV，開關輸出幅度不小于1 V，抗靜電改進前后接收機輸出、靜態噪聲和動態噪聲基本一致，滿足雷達接收機系統的各項性能指標要求。GaAs相關多放抗靜電能力已達到國軍標要求，已成熟應用于我國某重點型號導彈工程，相對于改進前的GaAs相關多放，該模塊的可靠性得到了很大的提高，靜電失效率大大降低，至今未出現靜電損傷失效質量問題。