砷化鎵射頻（RF）元件憑藉著優(yōu)異的雜訊處理及高線性等特色，成為高效能通訊設備開發(fā)人員長久以來的首選方案；然而，近來隨著絕緣層覆矽（SOI）制程技術的突破，以矽材料為基礎的RF元件性能已大幅突破，成為替代砷化鎵方案的新選擇。

近來矽基產品在技術上的突飛猛進，再結合設計制程的改變，使其在高效能射頻（RF）及微波應用中，已逐步展現(xiàn)做為砷化鎵替代方案的可行性。

設備技術的快速進展帶動的需求，通常可以引導發(fā)展出最佳設計，即使此一最佳設計在開始之初可能遭到質疑，但仍有獲得實踐及突破的機會。直到最近，工程師們在為4G基地臺、寬頻中繼器、分散式天線等裝置設計RF及微波電路時，都會選擇使用砷化鎵場效電晶體（GaAs FET），以達到最佳雜訊控制及線性效果。

但在相同應用之中，囿于種種原因，矽基產品方案卻很少為設計師們所考慮，如今矽基產品已有較以往更為有效的設計，包括大小、成本、可靠度、穩(wěn)定時間等都已大幅提升，除此之外，在雜訊、失真、瞬間回應等方面亦皆有所改進，可以做為電路設計的重要組成。

砷化鎵技術優(yōu)劣參半

砷化鎵技術在無線應用領域，始終扮演著重要角色，其優(yōu)點是低雜訊及高度線性效果，此二者均超越了矽基產品。因為雜訊及線性是系統(tǒng)中的可變增益放大器、數(shù)位步進衰減器、切換器、調變器及混波器等重要組件的關鍵因素，而砷化鎵在這兩個方面的優(yōu)越性能，使其長期成為工程師的首選。

而矽基產品通常應用于數(shù)位環(huán)境，砷化鎵則只能使用在類比應用中。數(shù)位的設計通常需要在多層基板之中納入多晶片模組，但如此的設計通常頗為昂貴，且對于潮濕的環(huán)境相當敏感，以致必須予以特殊設計及處理。

基于砷化鎵的模組靈敏度等級通常是MSL3，故必須在密封后的一周之內予以啟用，以確保不會因濕氣而導致?lián)p壞或功效不佳，甚至導致設備在使用之初即失效。而以矽為材料的積體電路，是以四方平面無接腳（QFN）的方式予以個別封裝，故靈敏度等級是較低的MSL1，不需要特殊處理，即可執(zhí)行標準卷軸執(zhí)行運送。

矽基產品的QFN封裝方法，相較于砷化鎵的多個層板疊壓方式，前者可以擁有較佳可靠度及更低的熱電阻，簡化了散熱管理的設計。

此外，砷化鎵產品具有較低的靜電釋放（ESD），表示其只能承受500V的人體放電模式（Human-Body Model， HBM），而矽基產品則可承受2kV，二者相較的結果是砷化鎵產品可能會在組裝區(qū)域中，被較低等級的ESD事件所損壞，而相同功能的矽基產品則只需要較少的防靜電措施。

絕緣層覆矽（Silicon-On-Insulator， SOI）切換器通常具有如圖1的RON x COFF等優(yōu)點，同時可以在較大的隔離中，呈現(xiàn)較低的插入損耗。

圖1　基地臺無線電區(qū)塊圖顯示了矽基產品如何取代砷化鎵（深灰色），同時又可以在高效RF裝置中獲得更好的可靠度、 更高的集成及更低的成本。

最后要說明的是砷化鎵產品往往需要依賴外部的被動元件，如感應器或電阻，使得整體空間必須放大，才足以容納這些外部元件，但同時也增加了復雜度。

砷化鎵切換器Gate Lag明顯

需要高速處理資料的設備，包括3G及4G通訊系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)等，都需要RF電晶體，才得以在接到指令后的時間要求內，完成處理或保持訊號的完整，稱為安定時間（Settle Time）。此一安定時間會受到切換器的Gate Lag設定值所影響。一般而言，啟動切換器后的Gate Lag可以是上升時間結束的10-90%，以及在完全穩(wěn)定之后，與電阻的差異。這個值通常會在啟動后的97.5-100%之間，Gate Lag也可視為RF輸出功率由90%及完全100%的時間差。

砷化鎵產品都有明顯的Gate Lag，特別是在低溫環(huán)境下，它會顯著影響系統(tǒng)效能。一個高速通訊系統(tǒng)就必須在作業(yè)之前，先等待Gate Lag造成的延遲，較長的安定時間可能會限制系統(tǒng)的處理速度及靈活性，也會拉長生產方案的測試時間。

矽基RF方案性能突破

雖然砷化鎵產品有著上述缺點，但其卓越的雜訊系數(shù)及Third-Order-Intercept（IP3）線性處理能力，仍是難以取代的特色。直到現(xiàn)在，可以做為替代品的矽基產品，才以新一代技術克服傳統(tǒng)的限制，提供了更可靠及更為經(jīng)濟的解決方案。

新一代的RF切換器，如IDT的F2912產品，其采用SOI技術可以在功率放大器（PA）裝配環(huán)境的高溫下穩(wěn)定運作，這些以矽為材料的切換器可以在大于120℃的高溫下，仍然保有卓越的處理效能（0.7B插入損耗、+65dBm IP3及60dB的隔離）（圖2）。

圖2　SOI切換器的處理效能（F2912）

IDT公司另一個以矽為材料的可變增益放大器（IF Variable-Gain Amplifiers， VGA）產品F1240，可經(jīng)由FlatNoise技術，提供突破性的SNR功能，F(xiàn)latNoise技術可以確保即使在增益減低時，仍可將雜訊系數(shù)維持在較低水準（如圖3），而在過去的環(huán)境中，工程師必須毫無選擇地接受每1dB帶來的增益降低，而在強化的SNR系統(tǒng)中，可以在最多2dB的雜訊下，仍然保有較高線性處理效能。

圖3　FlatNoise 技術在IF VGA的雜訊系數(shù)

線性是近來在矽基產品的另一重大改進，如IDT即以矽為材料開發(fā)RF VGA產品，此產品采用 Zero-Distortion技術，可以在BW的2，000MHz環(huán)境中，達到》40dBm OIP3，同時在100mA的靜態(tài)電流中，可擁有23dB的調整范圍（圖4）。一般情況下，在VGA更加優(yōu)化的線性度及頻寬，可為工程師提供更大的彈性，設計接收系統(tǒng)。

圖4　采用Zero-Distortion技術的新一代以矽為材料的RF VGA（F0480）

圖5　Glitch-Free SOI DSA （F1950）

另一項重要的創(chuàng)新技術Glitch-Free，則可以克服數(shù)位步進衰減器（Digital Step Attenuators， DSA）作業(yè)的不良影響。Glitch-Free可以在MSB狀態(tài)中，有效降低瞬間過高的雜訊，由10dB降至0.5dB。在如發(fā)射器的精密電子裝置中，此技術可以確保增益功能在相鄰組件間順利轉換。由過往的經(jīng)驗可知，較大的10dB故障將會損害下游功率放大器。除此之外，傳統(tǒng)DSA需要較長的設定時間，此一特性會降低Time-Domain Duplex（TDD）系統(tǒng)的轉換效能，藉由Glitch-Free技術，可以有效消除上述不良影響，提升系統(tǒng)可靠度，同時可以更靈活地運用TDD系統(tǒng)。

砷化鎵放大器憑藉著優(yōu)異的雜訊處理及高度線性等特性，使其成為設計師在高性能RF裝置的首選。然而，近來以矽基產品的設計已在雜訊及線性等方面，以各種技術取得突破性進展，這些技術包括SOI、Zero-Distortion、Glitch-Free等，使得矽基產品在成為砷化鎵替代品的選擇上，更前進一大步。