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《微波學報》2015年第S1期

摘要:

在太赫茲焦平面成像等系統中，GaAs肖特基二極管作為太赫茲檢測的核心器件，其噪聲特性直接影響太赫茲探測系統的靈敏度。討論了GaAs肖特基二極管在不同直流偏壓下加載給負載的熱噪聲電壓、散粒噪聲電壓、總噪聲電壓，并給出了相應的解析解。同時，建模模擬了太赫茲混頻前端，并利用諧波平衡法對理論公式進行了對比驗證。對太赫茲像元與陣列芯片的噪聲機理以及提高芯片的噪聲性能研究，改善芯片噪聲特性，從而提高太赫茲焦平面成像系統靈敏度具有重要意義和作用。

關鍵詞:

太赫茲GaAs，肖特基二極管，偏置電壓，熱噪聲，散粒噪聲，噪聲電壓

太赫茲焦平面成像可以應用到火車站、飛機場等公共場合中，可有效檢測行李和貼身攜帶的手槍、刀具、、炸藥等［1］，對公共安全、反恐起到了重要作用。太赫茲焦平面成像系統的核心功能之一是能夠檢測到目標的太赫茲輻射，因此，太赫茲前端是實現太赫茲應用的基礎。雖然相對于SIS(超導－絕緣－超導)結、HEB(熱釋電測輻射熱計)探測器，肖特基二極管靈敏度低，但其可以工作在室溫環境下、成本低、在太赫茲頻段有快的響應速率的優點，使其成為太赫茲焦平面成像像元的核心器件，近年來，隨著材料和工藝水平的提高，肖特基二極管本身的性能也在不斷提升。

鑒于目前太赫茲頻段三端器件的匱乏，肖特基二極管作為太赫茲焦平面成像前端系統的核心器件，多采用直接檢波或外差混頻方式檢測太赫茲信號。由系統的噪聲級聯公式可知，其噪聲系數對整個系統的噪聲性能起到決定性作用，研究高頻寄生參量和偏置電壓對肖特基二極管噪聲的影響，對二極管模型的優化設計，最大程度上減小工作狀態時的噪聲具有重要意義和作用。本文分析了肖特基二極管的噪聲來源，依集總參數元件的等效電路模型(LEC)［2］，用寄生電感、寄生電容表征了在太赫茲頻段時載流子慣性和未耗盡區域的位移電流的影響［3］，推導了常溫時(298K)寄生參量影響下負載獲得肖特基二極管噪聲電壓的解析解。采用諧波平衡法(HB)，利用ADS建模模擬太赫茲像元并驗證了解析解的正確性。通過解析解得到了單位帶寬內散粒噪聲電壓、熱噪聲電壓隨肖特基二極管偏置電壓的變化趨勢。

1肖特基二極管等效電路

圖1所示的肖特基二極管等效電路中，Rj(v)是非線性電阻，是二極管的核心等效元件，Cj(v)是結電容，Rs是級聯電阻，以及寄生電容Cp和電感。

2肖特基二極管噪聲及噪聲電壓的解析解

肖特基二極管是太赫茲焦平面成像陣列芯片的核心器件，目前大多采用天線與二極管單片集成構成檢波/混頻天線的方式檢測信號，其噪聲特性對太赫茲焦平面成像系統的靈敏度起到決定性作用。肖特基二極管產生的噪聲有結電阻Rj產生的散粒噪聲，級聯電阻Rs產生的熱噪聲，量子散射噪聲和GaAs中的谷間散射噪聲［4］，常溫下起主導作用的是散粒噪聲和熱噪聲，谷間散粒噪聲占全部二極管噪聲的5%～10%［5］，在這里不作考慮。

2．1散粒噪聲電壓的解析解散粒噪聲是由于在二極管中有勢壘存在，載流子各自獨立而隨機地通過勢壘所引起的噪聲，其產生噪聲電流的均方根為

2．2熱噪聲電壓的解析解熱噪聲主要由級聯電阻Rs產生，其產生的熱噪聲電壓為:熱噪聲主要由級聯電阻Rs產生，從級聯電阻端看上去的總阻抗為:

2．3總噪聲電壓實際情況中散粒噪聲電壓和熱噪聲電壓共同作用到負載上，兩電壓具有相同的頻率和不同的相位、幅度關系。因此兩者具有相關性。可以通過求解功率的方式求解平均噪聲電壓，總噪聲電壓應為。

3理論公式與諧波平衡法對比

太赫茲焦平面成像系統前端陣列的每個像素由太赫茲混頻器構成。為了準確的模擬太赫茲焦平面成像像元的檢波、混頻功能，從而分析肖特基二極管的噪聲特性，需要知道肖特基二極管的參數以及基本的高頻寄生參量。根據肖特基二極管的實測數據，用origin的曲線擬合功能fitting求解參數，得級聯電阻12．7Ω、飽和電流9fA、理想因子n=1．2(298K)，設置寄生電容Cp=10fA和引線電感Ls=50pH［6］。則可以用MATLAB對解析解編程求解，與諧波平衡法仿真進行比較。設置本振頻率Lo=222GHz，射頻頻率采用大氣窗口頻率RF=220GHz，中頻IF=2GHz，為了模擬外差式饋入［7］采用雙頻率源，前端的帶通濾波器模擬天線的選頻特性，仿真原理圖如圖3。單位帶寬內，負載獲得噪聲電壓的諧波平衡法仿真數據與MATLAB處理理論公式得到的結果進行對比，結果如圖4所示。將諧波平衡法仿真數據與MATLAB處理公式得到的數據放在同一數據中相比，數據基本一致。基于上述模型，對整個等效電路來說，貢獻給負載的熱噪聲的電壓隨偏壓的加大不斷提高，散粒噪聲的電壓隨偏壓的變化先增大后減小，在開啟電壓0．75V時有最大值，而總的噪聲電壓在0．8V有最大值。

4總結

本文以室溫下工作在太赫茲頻段的肖特基二極管為研究對象，根據寄生參量的等效電路模型推導了加載到負載的熱噪聲電壓、散粒噪聲電壓解析解。以肖特基二極管的等效電路建模搭建了工作在220GHz的太赫茲單端混頻器模擬太赫茲焦平面成像像元，通過ADS仿真驗證了噪聲電壓解析解的正確性。得到了常溫下熱噪聲電壓、散粒噪聲電壓隨肖特基二極管偏置電壓的變化趨勢。本文對二極管模型的優化設計，提高系統的靈敏度具有重要意義。

作者：喬海東 李亮 默江輝 郭大路 呂昕 單位：毫米波與太赫茲技術北京市重點實驗室 河北半導體研究所 國家專用集成電路重點實驗室