来源：Scalable p-i-n Diode Modeling and Parameter Extraction for Use in the Design of W-Band GaAs Switch（TIE 21年）

摘要

本文介绍了一种针对W波段开关设计的基于毫米波GaAs的p-i-n二极管的可扩展建模与参数提取方法。采用基于晶圆上S参数测量的直接提取法，在无需任何去嵌入测试结构的情况下确定了外在和内在模型参数。在开启和关闭偏压条件下，对于基于GaAs的p-i-n二极管，模拟得到的输入反射系数在整个频率范围内与实测数据吻合良好。应用可扩展归一化规则成功设计了W波段p-i-n二极管开关，并在模拟数据与实测数据之间取得了良好的一致性，从而验证了所提出的模型的准确性。

关键词：基于GaAs，p-i-n二极管，开关，W波段

文章的研究内容

这篇文章介绍了在设计W波段GaAs开关时，可扩展的基于砷化镓（GaAs）的p-i-n二极管模型构建和参数提取方法。研究团队采用了一种基于晶圆上S参数直接提取的方法，无需任何去嵌入测试结构，来确定外在和内在模型参数。通过对开启（turn-ON）和关闭（turn-OFF）偏置条件下的建模输入反射系数与测量数据进行比较，在整个频率范围内，针对基于GaAs的p-i-n二极管的模拟结果与实测数据吻合良好。

该研究还提出了用于设计W波段p-i-n二极管开关的可扩展规范化规则，并通过模拟数据与实验数据的良好一致性验证了所提模型的准确性。由于p-i-n二极管具有小型化、高击穿电压、快速切换特性和随偏置变化的电阻特性，它们是毫米波T/R模块中的关键组件。随着集成电路复杂性的增加，计算机辅助设计在其中的作用愈发重要，而精确的器件模型对于预测电路性能和实现低成本设计至关重要。文章中对p-i-n二极管的工作特性进行了深入分析，并详细介绍了如何利用这些模型参数指导高频应用中如W波段开关的设计与优化。

文章的研究方法

文章采用了一种直接提取方法，该方法基于在晶圆上的S参数测量，以确定p-i-n二极管的外在和内在模型参数，无需依赖于任何去嵌入测试结构。研究人员结合了直接提取法与经验优化程序，创新性地解决了传统分析方法中存在的难题，具体步骤如下：

1. 在全导通偏置条件下，从输入反射系数中同时确定接触电容和平行线电感。
2. 分别通过直流特性分析和输入反射系数来确定接触电阻和固有电阻。
3. 探究了等效电路模型参数对器件有效面积的可扩展规范化规则，使得可以依据小尺寸设备参数直接预测大尺寸器件的性能。
4. 应用这些可扩展规范化规则成功设计出W波段砷化镓（GaAs）p-i-n二极管开关，并通过模拟与实测数据的良好一致验证了提出的模型的有效性。

这种方法的优势在于能够更加准确且高效地提取并预测p-i-n二极管在极高频W波段应用中的工作特性，从而有助于简化和优化高频电子系统中的开关设计过程。

文章的创新点

本文的创新点主要体现在以下几个方面：

1. 直接提取法：作者提出了一种基于S参数在晶圆上直接测量的直接提取方法，不需要使用传统的去嵌入测试结构，就能够有效地确定p-i-n二极管的外在和内在模型参数。

2. 一体化提取多项参数：在全导通偏置条件下，能同时从输入反射系数中解析出pad电容和馈线电感，这是之前文献中未曾明确报道或未如此高效完成的任务。

3. 区分接触和内阻：文章分别利用直流特性数据提取接触电阻，并通过输入反射系数提取内在电阻，这增强了对二极管整体电气行为的理解和模型精度。

4. 可扩展规范化规则：研究者探讨了依赖于器件有效面积的等效电路模型参数的可扩展规范化规则，这一规则允许根据小尺寸器件的参数直接预测大尺寸器件的性能，为设计更大规模的W波段GaAs p-i-n二极管开关提供了便利。

5. 成功的W波段开关设计：将提出的可扩展规范化规则应用于W波段GaAs p-i-n二极管开关设计，得到的仿真结果与实际测量数据之间表现出良好的一致性，证实了新模型的有效性和实用性。

这些创新点共同提高了对GaAs基p-i-n二极管在毫米波频段应用中性能建模及参数提取的准确度和效率，降低了设计成本，促进了高频通信和雷达等领域中相关器件与系统的开发。

文章的结论

文章的结论指出，研究者成功地提出了一个适用于W波段砷化镓（GaAs）开关设计的可扩展p-i-n二极管等效电路模型以及相应的参数提取方法。该研究采用了直接提取技术，基于晶圆上的S参数测量来获取模型参数，无需借助任何去嵌入测试结构，从而简化了参数提取过程，并保证了模型的准确性。

在不同的开启和关闭偏压条件下，对基于GaAs的p-i-n二极管进行建模后，其输入反射系数在整个频率范围内（1至110 GHz）与实验数据有着良好的一致性。此外，研究者还制定了针对不同活性结区面积的p-i-n二极管模型的可扩展规范化规则，并已成功应用于设计W波段单刀单掷（SPST）开关，仿真结果与实际测量数据间的一致性验证了所提模型的有效性。

最后，通过对W波段p-i-n二极管开关的模拟和实测结果的对比，发现相对误差（例如电压驻波比VSWR）保持在16%以内，插入损耗的绝对误差为4.5%，隔离度的绝对误差仅为1.5%，虽然存在一定的微小偏差，但总体而言模型表现优秀。这些成果证明了文中提出的模型和参数提取方法对于毫米波GaAs p-i-n二极管在高性能W波段开关设计中的实用价值和可靠性。