開關速度是個涉及多個事件的復雜參數，每個事件都有自己的持續時間。借助已申請專利的pHEMT技術，M/A-COM Technology Solutions公司(下文簡稱為M/A-COM)已經找到了一種可縮短其中一個事件——開關的設置時間——的方法，從而給基于分組通信網絡和雷達系統等須嚴格控制時域參數的系統帶來了福音。在從10MHz到20GHz這一系列開關中都采用了該技術，其設置時間可短至20ns。

　　開關速度和設置時間(settling time)，或者柵遲滯(gate lag)，都被用來描述高速開關性能，但這兩個參數有區別且往往被誤解。開關速度是指當控制信號使開關從“截止”轉為“導通”時，射頻包絡線從10%變化到90%所需的時間(圖1)。從控制信號值達到其50%開始到RF包絡線達到其90%的這段時間，傳統上標記為ton。RF包絡從10%變化到90%所需的上升時間標記為trise。當控制信號使開關從“導通”變為“截止”時，從控制信號值達到其50%開始到RF包絡線從90%降至10%的這段時間是toff。而RF包絡線從90%降至10%的這段單獨的時間是tfall。柵遲滯定義了開關經過RF包絡線的90%后，或者10%后的設置時間特性。

圖1：開關設置時間的圖示說明。

　　不幸的是，開關過渡時間的最后10%可造成對傳統開關速度規范的誤解，因為最后的10%與先前90%的變化速率不同。歷史上看，響應呈對數形態，而最后10%所花時間接近整個設置時間。通常情況，對于達到90%這一點需10ns的開關來說，達到100%這一點可能需要數百ms。這個長的設置時間(柵遲滯)，會給許多系統帶來問題。

　　根據現有的設備和方法，可通過測量器件的功率從90%變到以后設置起的某個值，如97.5%或100%，所需的時間來計算器件的柵延遲。此外，還可通過在控制信號改變后，觀察兩個固定時間點的阻抗變化來測量，因為開關器件在“開”狀態呈低阻態，在“關”狀態呈高阻態。例如，器件的柵遲滯可被描述為：在控制信號改變后10μs到10ms這段時間阻抗發生了0.5Ω的變化。雖然無法消除柵遲滯，但M/A-COM Technology Solutions已開發出針對柵遲滯導致的延遲的解決方案。

　　無論是看作延遲或開關阻抗變化，在許多測試應用及其它系統中，開關都必不可少。一些復雜的基于分組的調制方案，依靠快速發送/接收或分集開關來優化數據吞吐量、降低信噪比。如果當第一個數據包已通過它傳輸時，開關仍處在設置時期，則包絡形狀可能是圓的，從而有可能損害數據。對于高數據速率通信應用，快速的設置性能可以顯著縮短發射前的等待時間。可用數據傳輸時間多，則相當于提高了吞吐量。

　　設置時間短的開關還可帶來熱管理方面的好處。當射頻功率施加到尚未完全設置起來的器件上時，在器件達到穩定狀態前，功耗會顯著增加。更快的設置速度意味著降低了由于設置之前的串聯電阻引入的功耗，另外還可在高功率下實現更低的工作結溫。

　　開關延遲主要與改變存儲在有源器件、相關電路內靜態電荷、與時間相關的充/放電衰減效應有關。有幾個因素造成的遲滯現象，可通過阻抗和容抗對其描述。場效應管(FET)的柵極體積小，且存在一定損耗，為對直流和射頻進行隔離，大多開關設計中通常采用大阻值的柵電阻。柵電阻成為決定阻容(RC)時間常數的一個因素。對于任何狀態的改變(作為一階近似)，必須耗盡或恢復器件溝道、且必須創建或清除柵周圍的電場。

　　在器件級，參考砷化鎵MESFET/pHEMT的簡化截面，可以理解開關速度和任何相關的柵遲滯(圖2)。射頻開關時間由溝道區的電荷主導，電荷位于柵附近的柵控和非柵控凹陷區。器件的導通時間是當施加控制信號后，將電荷通過溝道從源極轉移到漏極所需的時間。導通時間是用電荷填充溝道區所需相應延遲時間的函數。電荷包括與柵極容抗相關的溝道電荷，以及非柵控凹陷區內的表面陷阱電荷。關斷時間定義則相反，只有徹底移除溝道和凹陷區內的電荷，器件才會完全截止。

　　通過器件截面圖還能直觀地認識相對快的trise(即RF包絡線從10%上升到90%所需的時間)、RF包絡從90%下降到10%所需的時間tfall、以及RF包絡從90%過渡到100%所需的相對很長的柵遲滯時間。與直接位于柵下方的耗盡區相關的溝道電荷，占這部分電荷的主要部分。通過對柵極終端施以正確的極偏置，可相對快地將電荷移進和移出柵極區。另一方面，非柵控凹陷區內的電荷以表面狀態和界面陷阱等形態被集聚起來，它們對施加的偏壓相對不敏感，只能通過由肖特基二極管形成的阻容(RC)電路充放電。這些表面電荷的填充和移出是一個緩慢過程，直接導致柵遲滯開關時間延長。

圖3: 具有專利的低柵遲滯層的pHEMT剖面圖。

　　為解決由柵遲滯主導的狀態變化所引致的射頻開關時間延長，對現有的用于制造微波開關的pHEMT工藝進行了若干調整。改進的pHEMT器件截面圖顯示了這些改變(圖3)。通過聯合使用清潔技術和鈍化電介質沉積技術，減少了非柵控砷化鎵表面的表面態和界面陷阱的數量。此外，對肖特基二極管柵極的形成做了修改，以同時降低柵極阻抗(但不引入額外柵極容抗)，并把伴隨器件導通和截止的RC充電時間最小化。最后，為pHEMT構造增加了專有的III-V層以進一步降低溝道阻抗，從而使電荷能在器件內更自由地移動，特別是對來自非柵控凹陷區內的電荷來說。這樣的工藝優化使開關速度比標準pHEMT器件顯著提升。與現有開關產品比，這已申請專利的工藝大大改善了設置時間特性，且不對其它器件參數產生明顯影響(圖4)。

　　圖4和圖5分別顯示了采用標準pHEMT工藝制造的場效應管與采用優化工藝制造的場效應管的Ron與開關時間的對比。新工藝顯著改善了導通阻抗性能以及器件-器件間的一致性。新工藝也顯著提升了晶圓-晶圓間開關特性的一致性。在隔離或“關”狀態，器件有數千歐姆的阻抗是個重要認識。器件可以迅速達到90%這個點，但要完全設置仍需很長時間：變化的絕對范圍非常大。對采用標準pHEMT工藝制造的高隔離開關來說，標準開關速度規格可能會引起誤解，因為遷變與絕對信號電平的變化成正比。改進的短柵遲滯工藝帶來的更快的導通特性提供了可靠的快速轉換。

為衡量新工藝帶來的速度好處，將采用新工藝制造的開關與采用典型pHEMT工藝制造的開關進行比對。當RF包絡從90%變到98%時，典型pHEMT開關所用時間為274μs，而具有專有的III-V短柵遲滯層的優化pHEMT工藝器件，僅需18ns(圖5)。

　　表1提供了一組從10MHz到20GHz、具有快速設置時間的開關的性能概要。MASW-009590型單刀雙擲(SPDT)開關裸片是其中最快的，到97.5%設置點所需時間約20ns，工作頻率為10MHz到8GHz，插入損耗是0.6dB，隔離度是23dB。當工作在直流3V時，在1dB壓縮點具有+30dBm功率。此開關系列產品既有大功率器件，也有帶寬很寬的器件，還有一款隔離度非常高的器件。

　　柵遲滯是測試系統、基于分組的數據傳輸、雷達系統以及其它許多對時間變化有苛刻要求的應用的一個重要參數。采用可大幅縮短總開關時間、具有優良電氣性能的優化半導體工藝制造的新開關產品，具有更短的設置時間。