【導讀】如今硅器件技術已經有所改進，再加上優化的設計，注定了硅器件能夠在高性能射頻和系統中取代砷化鎵器件。在半導體器件快速發展的今天，工程師會在設計射頻微波電路時自動選擇砷化鎵場效應管，因其噪聲系數和線性度較之硅器件要更加優良。應用中硅器件注定要被砷化鎵取代，是否已成定局？
砷化鎵器件優勢和劣勢
砷化鎵一直是推動無線技術革新的關鍵技術，它可提供超越當代硅器件的低噪聲指數和高線性度。由于噪聲系數和線性度是決定總失真的主要因素，而總失真由一些關鍵功能所引入，包括可變增益放大器（VGA）、數字步進衰減器（DSA）、開關、混頻器和調制器等，GaAs器件通常是那些需要最好信令性能應用的默認選擇。
作為一種比傳統基于硅的制造工藝更專業的技術，砷化鎵的應用相對局限于純模擬功能。如果把數字電路包括在一起通常需要在層疊基板設計一個多芯模塊，這種結構非常昂貴，并可導致潮濕敏感度退化，從而需要特殊的儲存和處理條件。基于砷化鎵的模塊通常具有MSL3靈敏度等級，因此必須在密封后一周內用掉，以保證吸收的潮濕不至于損壞器件從而導致早期失效。基于硅的器件通常是單芯片以QFN封裝實現，具有較低的靈敏度MSL1等級，可以采用標準的卷軸運輸，不需要特殊的處理流程。
相比基于GaAs的層疊模塊，QFN封裝的硅器件也受益于更低的熱阻，這有助于實現更高可靠性，簡化熱管理和散熱設計的要求。
此外，GaAs器件具有相對較低的抗靜電放電（ESD）能力，通常僅能承受500V的人體靜電放電（HBM）域值，而相比之下硅器件可承受2kV。因此，GaAs器件可以很容易地被一個典型的裝配區域可能發生低級別ESD事件損壞，類似的硅器件則不需要特別嚴格的防靜電保護措施。
絕緣體上硅片（SOI）開關也通常具有優良的RON x COFF，因此表現出較低的插入損耗，同時還允許更大的隔離度。
最后，包含有GaAs器件的電路一般都需要依賴電感和電阻等外部無源元件，這些元件會占用額外的空間，并增大方案的復雜性。
砷化鎵開關中的柵極遲滯
針對高數據速率3G和4G通信系統的基礎設施設備以及其他的工業系統，需要RF晶體管在完成開關后盡快穩定下來，以便滿足時間關鍵的性能要求或保持信號的完整性。穩定時間受與開關相關聯的柵極遲滯的影響。開關接通所產生的柵極遲滯可以被認為是在10-90%上升時間完成點與開關完全穩定點之間的開關電阻的差值，典型地看，這是97.5%和100%導通時之間的差值。柵極遲滯也可以看作是器件的RF功率輸出在90%振幅和完全穩定到100%時的時間差值。
眾所周知，GaAs器件有明顯的柵極遲滯，在低工作環境溫度下尤其顯著，它可以限制系統的性能。高速通信系統必須在開始傳輸之前等待該穩定時間。長的穩定時間可能會限制該系統的速度和靈活性，并且還可能在生產場合延長測試時間。
硅器件彌補性能差距
盡管砷化鎵有上述公認的缺點，但與硅器件相比其卓越的噪聲系數和三階截取（IP3）線性度會勝過這些不足。然而，隨著當今新技術發展的優勢逐漸克服傳統的局限，硅器件已經是GaAs較強的競爭對手，可以提供更經濟和更可靠的解決方案。
IDT公司的F2912等新一代RF開關采用SOI技術，可以在或靠近PA裝配線的非常高的溫度環境下可靠地工作。這些新的硅基開關在溫度高達+120℃時仍具有卓越的性能（0.4dB插入損耗，+65dBm IP3，60dB隔離度）。
圖2a：高可靠性SOI開關性能（F2912）
[page] 類似于IDT F1240等新一代硅中頻（IF）可變增益放大器通過集成FlatNoise 技術已經使信噪比（SNR）實現了突破性改進。 即使在增益降低時，FlatNoise技術可確保噪聲系數保持很低（圖2b）。而過去，伴隨著增益每1dB的降低，工程師就不得不接受1dB噪聲系數的降低。其結果是，該系統的SNR可以實現最多2dB的改善，同時仍然保持非常高的線性度。
圖2b：FlatNoise技術對于中頻VGA噪聲指數的影響（F1240）
線性度是最近在硅器件中得到顯著改善的另一個重要參數。 IDT公司的F0480硅基RF VGA采用了全新的Zero-DistortionTM（零失真）技術，能夠實現大于40dBm的OIP3，2000MHz帶寬，以及在只有100 mA靜態電流下的23dB調整范圍。總體而言，提高VGA的線性度和帶寬使設計師在實現接收系統時具有更高的靈活性。
圖2c：采用Zero-Distortion技術實現的全新寬帶硅RF VGA (F0480)
IDT公司通過開發Glitch-Free（無干擾）技術還克服了一個影響數字步進衰減器的重要缺陷。Glitch-Free技術降低了眾所周知發生在MSB態從10dB轉變到0.5dB時出現的瞬態過沖。在發射器等精密電平設置環境下，該技術可確保增益平滑地過渡到相鄰的設置。從歷史經驗看，較大的10dB干擾（glitch）已經能夠損害下游的功率放大器。此外，傳統的DSA需要很長的時間實現穩定，這可降低時域雙工（TDD）系統的處理性能（turnaround performance）。通過近乎消除這種過沖，Glitch-Free技術顯著提高了系統的可靠性，并允許實現更靈活的TDD系統。
圖2d：采用Glitch-Free技術實現的絕緣體上硅片DSA（F1950）
結語
砷化鎵放大器和開關以其高線性度和良好噪聲特性的優勢逐漸成為高性能射頻設備設計的首選，這是毋庸置疑的。而硅器件雖然在可靠性、成本、集成度方面有出色的表現，但較之砷化鎵還是差強人意，從而導致市場對砷化鎵先入為主。而近日硅基器件的重要性又重新被人們所認識，利用新技術對硅基器件的噪聲性能和線性度進行了改進，未來或將取代砷化鎵也未可知。
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