肖特基二极管噪声电压研究范文

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《微波学报》2015年第S1期

摘要:

在太赫兹焦平面成像等系统中，GaAs肖特基二极管作为太赫兹检测的核心器件，其噪声特性直接影响太赫兹探测系统的灵敏度。讨论了GaAs肖特基二极管在不同直流偏压下加载给负载的热噪声电压、散粒噪声电压、总噪声电压，并给出了相应的解析解。同时，建模模拟了太赫兹混频前端，并利用谐波平衡法对理论公式进行了对比验证。对太赫兹像元与阵列芯片的噪声机理以及提高芯片的噪声性能研究，改善芯片噪声特性，从而提高太赫兹焦平面成像系统灵敏度具有重要意义和作用。

关键词:

太赫兹GaAs，肖特基二极管，偏置电压，热噪声，散粒噪声，噪声电压

太赫兹焦平面成像可以应用到火车站、飞机场等公共场合中，可有效检测行李和贴身携带的手枪、刀具、、炸药等［1］，对公共安全、反恐起到了重要作用。太赫兹焦平面成像系统的核心功能之一是能够检测到目标的太赫兹辐射，因此，太赫兹前端是实现太赫兹应用的基础。虽然相对于SIS(超导－绝缘－超导)结、HEB(热释电测辐射热计)探测器，肖特基二极管灵敏度低，但其可以工作在室温环境下、成本低、在太赫兹频段有快的响应速率的优点，使其成为太赫兹焦平面成像像元的核心器件，近年来，随着材料和工艺水平的提高，肖特基二极管本身的性能也在不断提升。

鉴于目前太赫兹频段三端器件的匮乏，肖特基二极管作为太赫兹焦平面成像前端系统的核心器件，多采用直接检波或外差混频方式检测太赫兹信号。由系统的噪声级联公式可知，其噪声系数对整个系统的噪声性能起到决定性作用，研究高频寄生参量和偏置电压对肖特基二极管噪声的影响，对二极管模型的优化设计，最大程度上减小工作状态时的噪声具有重要意义和作用。本文分析了肖特基二极管的噪声来源，依集总参数元件的等效电路模型(LEC)［2］，用寄生电感、寄生电容表征了在太赫兹频段时载流子惯性和未耗尽区域的位移电流的影响［3］，推导了常温时(298K)寄生参量影响下负载获得肖特基二极管噪声电压的解析解。采用谐波平衡法(HB)，利用ADS建模模拟太赫兹像元并验证了解析解的正确性。通过解析解得到了单位带宽内散粒噪声电压、热噪声电压随肖特基二极管偏置电压的变化趋势。

1肖特基二极管等效电路

图1所示的肖特基二极管等效电路中，Rj(v)是非线性电阻，是二极管的核心等效元件，Cj(v)是结电容，Rs是级联电阻，以及寄生电容Cp和电感。

2肖特基二极管噪声及噪声电压的解析解

肖特基二极管是太赫兹焦平面成像阵列芯片的核心器件，目前大多采用天线与二极管单片集成构成检波/混频天线的方式检测信号，其噪声特性对太赫兹焦平面成像系统的灵敏度起到决定性作用。肖特基二极管产生的噪声有结电阻Rj产生的散粒噪声，级联电阻Rs产生的热噪声，量子散射噪声和GaAs中的谷间散射噪声［4］，常温下起主导作用的是散粒噪声和热噪声，谷间散粒噪声占全部二极管噪声的5%～10%［5］，在这里不作考虑。

2．1散粒噪声电压的解析解散粒噪声是由于在二极管中有势垒存在，载流子各自独立而随机地通过势垒所引起的噪声，其产生噪声电流的均方根为

2．2热噪声电压的解析解热噪声主要由级联电阻Rs产生，其产生的热噪声电压为:热噪声主要由级联电阻Rs产生，从级联电阻端看上去的总阻抗为:

2．3总噪声电压实际情况中散粒噪声电压和热噪声电压共同作用到负载上，两电压具有相同的频率和不同的相位、幅度关系。因此两者具有相关性。可以通过求解功率的方式求解平均噪声电压，总噪声电压应为。

3理论公式与谐波平衡法对比

太赫兹焦平面成像系统前端阵列的每个像素由太赫兹混频器构成。为了准确的模拟太赫兹焦平面成像像元的检波、混频功能，从而分析肖特基二极管的噪声特性，需要知道肖特基二极管的参数以及基本的高频寄生参量。根据肖特基二极管的实测数据，用origin的曲线拟合功能fitting求解参数，得级联电阻12．7Ω、饱和电流9fA、理想因子n=1．2(298K)，设置寄生电容Cp=10fA和引线电感Ls=50pH［6］。则可以用MATLAB对解析解编程求解，与谐波平衡法仿真进行比较。设置本振频率Lo=222GHz，射频频率采用大气窗口频率RF=220GHz，中频IF=2GHz，为了模拟外差式馈入［7］采用双频率源，前端的带通滤波器模拟天线的选频特性，仿真原理图如图3。单位带宽内，负载获得噪声电压的谐波平衡法仿真数据与MATLAB处理理论公式得到的结果进行对比，结果如图4所示。将谐波平衡法仿真数据与MATLAB处理公式得到的数据放在同一数据中相比，数据基本一致。基于上述模型，对整个等效电路来说，贡献给负载的热噪声的电压随偏压的加大不断提高，散粒噪声的电压随偏压的变化先增大后减小，在开启电压0．75V时有最大值，而总的噪声电压在0．8V有最大值。

4总结

本文以室温下工作在太赫兹频段的肖特基二极管为研究对象，根据寄生参量的等效电路模型推导了加载到负载的热噪声电压、散粒噪声电压解析解。以肖特基二极管的等效电路建模搭建了工作在220GHz的太赫兹单端混频器模拟太赫兹焦平面成像像元，通过ADS仿真验证了噪声电压解析解的正确性。得到了常温下热噪声电压、散粒噪声电压随肖特基二极管偏置电压的变化趋势。本文对二极管模型的优化设计，提高系统的灵敏度具有重要意义。

作者：乔海东 李亮 默江辉 郭大路 吕昕 单位：毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室 河北半导体研究所 国家专用集成电路重点实验室