現今的「永遠連線」世界有賴於可靠、高效而節能的無線連線。RF通訊可說是行動及無線電話、平板電腦、遊戲主機和機上盒順利運作的必備技術。從胎壓監控、遙控開關，乃至於導航及資訊娛樂，汽車領域的一切都涉及無線技術。RF通訊也在多軸飛行器控制方面扮演關鍵角色，確保其操作安全無虞。若要成功因應上述應用需求，就必須選擇最適當的RF元件。
本文概述RF通訊持續攀升的成長趨勢，探討選定各種電晶體和二極體等離散元件的考量重點，並介紹相關技術，盼能協助工程師在設計之中實作穩定、強大及可靠的通訊功能。
離散RF為無線連線核心技術
預估到了2020年，將有超過500億件連網裝置。個人通訊及物聯網的機器間通訊，也讓資料流量達到史上新高。不僅資料量持續快速成長，無線資料傳輸速率高達1Gbit/s，影片及資料串流更日漸普及。
由於人們更依賴無線連線，因此也更要求效能及系統可用性，而網路穩定性及可靠性正是其中的關鍵。離散RF元件市場規模預估高達3.45億歐元，是穩定、可靠的通訊功能賴以實現的基礎，也是消費性產品、工業、通訊及汽車等應用領域的核心(圖1)。
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| 圖1 RF產品在各種市場的不同應用 |
其中最基本的RF離散元件為PIN二極體、肖特基二極體及RF電晶體。工程師在選擇這類裝置時，需要考量效能、系統靈敏度、抗干擾性和效率等不同條件。除了元件效能，尺寸和功能也同樣重要。由於終端產品日益小巧，各種封裝類型的高效能裝置可用性已成為關鍵，因其允許設計人員在極為狹小的空間實現理想設計。
元件品質及可靠性也是重要的選用標準，特別是預期用途為戶外持續運作、或在工廠或車輛等嚴苛條件下的應用。
PIN二極體
PIN二極體類似於傳統二極體，只是在PN層之間多出一道本質層(Intrinsic Layer)。此無摻雜區域可提升隔離效果並降低電容，相較於傳統二極體效果特別顯著，因此為RF切換應用帶來重大優勢。
PIN二極體可用於電源及高壓等領域，常見於RF設計之中。在正偏之下，PIN二極體行為如同電阻；若為逆偏，則變成開放電路。這項獨特屬性允許PIN二極體用作可變衰減器的可變電阻器或是RF開關。PIN二極體也實作於RF保護電路之中。
PIN二極體開關常見於行動應用(消費性手持裝置和基地台)及WLAN裝置、機上盒及汽車娛樂系統；若當作衰減器使用，則大多配置於汽車資訊娛樂應用。
選定PIN二極體的一項主要考量就是插入損耗；其與正向串聯電阻RF呈現比例關係。RF通常以毫瓦為單位表示特定偏壓電流；在理想情況下，RF應越低越好。不過，總是得從中做出取捨。在此情況下，隨著RF降低，電容CT將會增加。低CT是判定PIN二極體寬頻隔離屬性的重要因素。
為了確保訊號完整度，PIN二極體線性及切換時間是許多應用的重要參數，尤其是需要快速切換的綜合RX-TX天線電路。
在現今應用領域的空間限制下，設計人員會尋求供應商提供種類廣泛的封裝類型，以便於受限的印刷電路板(PCB)配置條件下進行選擇。將多個PIN二極體置於通用封裝之中，就可進一步實現更密集的封裝。
肖特基二極體
肖特基二極體的特性是正向壓降低(大約0.2V)，並具備快速的切換速度。低壓降使這類二極體常見於電源及RF應用，而快速切換速度的優勢則遠勝於RF應用中的傳統PN二極體。肖特基二極體一般用於偵測器電路，特別是行動手持裝置、無線區域網路(Wireless Local Area Network, WLAN)裝置和基地台，此外也用作機上盒及類似應用的混合元件。
肖特基二極體為低障壁N型矽裝置，包含N型材料的沉積金屬層。不過強大電場可能在金屬區域邊緣造成崩潰及洩漏等效應。將P+半導體護環和氧化層擴散至電路板邊緣即可克服上述問題。
選定肖特基二極體時，漏電流是主要的考量。其與正向電阻RF呈現比例關係。二極體的整體效率相當重要，對於電池電源格外珍貴的可攜式裝置尤其如此。設計人員也應密切關注訊號失真和二極體線性，確保訊號真實重現(圖2)。
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| 圖2 顯示護環的肖特基二極體結構 |
RF電晶體/span>
異質接面雙極電晶體(HBT)包含效能參數，適用於RF應用中的單頻及雙頻低雜訊放大器(LNA)。這類放大器一般分類為低頻(<5GHz)及中頻(最高14GHz)。
LNA廣泛應用於RF應用，RF電晶體也因而常見於衛星通訊、導航系統、行動及固定連線(例如WiMAX)和Wi-Fi系統之中。RF電晶體也是遙控多軸飛行器的基礎技術。
選定RF電晶體時必須考量諸多層面。由於RF電晶體的基本功能是放大訊號，因此裝置增益(Gmax)相當關鍵。裝置效率對於電池供電應用也可能十分重要。
雜訊指數(NF)是一項關鍵參數，其為實際放大器與理論中的完美放大器(無損耗及雜訊)比較而得之訊噪比(SNR)劣化特性。NF是放大器輸入及輸出SNR的比例。
基礎半導體技術將對特定應用的整體適用性產生重大影響。例如矽鍺(SiGe)就有GaA替代方案所不能及的諸多優點，包括以較低的VCE提升效率，以及SiGe裝置一般具備的較優雜訊指數。
矽鍺碳化物(SiGe:C)雙極裝置的雜訊及線性效能不但與SiGe裝置同樣出色，此外還具更多優勢，可將靜電放電(ESD)保護直接整合至電晶體，大幅提升裝置穩固性。
看準RF離散元件的重要性，現已有相關業者專為無線設計而開發RF離散元件系列，如英飛凌(Infineon)開發出PIN二極體元件BA592，該元件可達成360mW的插入損耗(RF)，而BAR63的CT則為0.23pF。針對亟需空間的應用，則可將BAR90用作超小型TSSLP8中的四邊封裝。英飛凌PIN二極體系列具備優異效能，是天線切換應用的理想選擇，並符合AEC資格，因此有效適用於嚴苛的汽車應用。
肖特基二極體則提供多項封裝內組態，包括一般的陽極和陰極，以及串聯和並聯組態。BAT15系列亦有多項組態，包括雙邊和四邊選項，加上0.26pF的CT，是混合器的理想選擇。為了提供最佳效能，BAT24的CT僅0.21pF，適用於最高24GHz的雷達系統。最後，英飛凌RF電晶體技術目前邁入第8代(圖3)，可在全範圍實現低雜訊及高線性等效能。
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| 圖3 RF電晶體持續創新，提供更佳效能 |
(本文作者任職於英飛凌)