单片微波集成电路图解（微波单片集成电路）

单片微波集成电路图解（微波单片集成电路）图1.1各种晶体管技术的输出功率与频率的关系图请注意，SiGe半导体材料仅是在晶体管和基板材料中提供高电子迁移率的外延层，其基板衬底材料仍是Si，具有与纯Si工艺相同的优点和缺点。以类似的方式，InP有时在砷化镓（GaAs）衬底上生长为外延层，以在更大和更好建立的半导体晶片上获得InP晶体管的性能。这种类型的衬底被称为异质，因为GaAs衬底的晶格常数必须通过外延层逐渐改变为与InP类似 。InP作为衬底材料比GaAs更脆并且难以处理。在任一基板上的InP晶体管的一个缺点是它们具有低肖特基势垒高度，这限制了栅极电压摆幅并且通过栅极接触引起更高的反向二极管泄漏。图1.1显示了各种晶体管技术的典型输出功率随频率变化的曲线图。构成半导体衬底材料的元件决定了晶体管的潜在性能特性，主要是由于掺杂半导体内的电子特性。电子峰值速度越快，电子迁移率越高（不与其他原子碰撞），电子对施加的高频信号的反应就越快，

在设计MMIC时必须做出的第一个选择是用于制造芯片的组件技术，然后这个选择将决定需要哪种晶圆代工（Foundry）工艺。主要因素是衬底材料的选择，因为这种半导体材料的特性对最终MMIC的潜在性能具有最大的影响。掺杂半导体中的电子迁移率和峰值速度决定了有源元件（如晶体管）中的电子对快速波动的电场的反应速度，这决定了它们的频率响应，另外半导体衬底的能带隙决定了晶体管的击穿电压将会有多高，因此决定了它们的功率处理特性。处于半绝缘状态的半导体衬底的电阻率也对电路具有重要影响，因为其值决定了在其表面上设计的无源组件的损耗和Q值因子。

必须做出的下一个技术选择是将用作有源组件的晶体管类型，以在MMIC内产生信号增益。在最简单的层面上，这是使用场效应晶体管（FET）或双极型（Bipolar）晶体管之间的选择，但是从传统的硅互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管到诸如高电子迁移率晶体管（HEMT）的器件（其具有量子阱限制的电子以改善其迁移率）存在大量的有源器件类型。

本文和后面的系列文章将概述当今设计人员可用的元件技术的选择，从不同半导体衬底材料的特性和属性开始，并继续描述用衬底材料的有源表面层制成的晶体管类型。我们还会陆续讨论可以使用MMIC工艺制造的无源元件，以及基板技术选择如何影响其特性。显然，每种不同的技术都与特定的代工厂（foundry）工艺相关联，因此本文和后面的系列文章旨在帮助MMIC设计人员为给定的规格选择最合适的代工（foundry）工艺技术。

一、有源组件

MMIC上的有源元件是那些为芯片上的信号提供电压或电流增益的元件 - 换句话说就是晶体管。这些被称为有源器件，因为它们可以使用直流偏置功率在电路内主动（有源）地增加RF信号功率，甚至可以率先生成信号。MMIC二极管由于其非线性特性和用于混频器中的频率转换功能组件而有时被错误地归类为有源元件，但是严格地说它们是无源元件，因为它们不能将直流电源转换为RF信号功率。

构成半导体衬底材料的元件决定了晶体管的潜在性能特性，主要是由于掺杂半导体内的电子特性。电子峰值速度越快，电子迁移率越高（不与其他原子碰撞），电子对施加的高频信号的反应就越快，晶体管将越能在更高频率下获得增益。下一节将详细介绍MMIC工艺中使用的不同半导体衬底材料，并比较它们的特性。

1．基材衬底材料

最常用的衬底材料是硅（Si）和砷化镓（GaAs），其中Si传统上用于RF和较低频率，GaAs用于微波和毫米波频率。然而，随着硅锗（SiGe）晶体管的发展，Si衬底上的电路的频率响应正在被紧紧地推进到了微波频率区域。另一方面，GaAs正在使用栅极长度为十分之一微米的晶体管，使得它进一步进入毫米波的工作频率区域。当频率超过100 GHz时，更多奇特的基板材料，如磷化铟（InP），倾向于把GaAs的部分工作频率领域接管过来。越来越多地使用的其他衬底材料包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。这些都是宽带隙半导体，这意味着它们具有更高的击穿电压，并且可以在比其他半导体材料更高的结温和更高的输出功率下工作。这些常用半导体材料的特性如表1.1所示。

表1.1 最常用的半导体材料的特性

请注意，SiGe半导体材料仅是在晶体管和基板材料中提供高电子迁移率的外延层，其基板衬底材料仍是Si，具有与纯Si工艺相同的优点和缺点。以类似的方式，InP有时在砷化镓（GaAs）衬底上生长为外延层，以在更大和更好建立的半导体晶片上获得InP晶体管的性能。这种类型的衬底被称为异质，因为GaAs衬底的晶格常数必须通过外延层逐渐改变为与InP类似 。InP作为衬底材料比GaAs更脆并且难以处理。在任一基板上的InP晶体管的一个缺点是它们具有低肖特基势垒高度，这限制了栅极电压摆幅并且通过栅极接触引起更高的反向二极管泄漏。图1.1显示了各种晶体管技术的典型输出功率随频率变化的曲线图。

图1.1各种晶体管技术的输出功率与频率的关系图

（1）晶体管类型

晶体管是可以用作开关的三端子器件，其中一个输入端子上的信号可以控制在两个其他连接端子之间流动的电流。顺便说一下，英文名称晶体管（transistor）来自这样一个事实，即它是一个可变电阻器（resistor），其中一个端子上的电压被转移（transferred）以控制通过其他两个端子之间的电流。MMIC中使用的两种基本类型的有源器件是场效应晶体管（FET）和双极晶体管[bipolar transistor]，它们的符号以及开关表示如图1.2所示。这种开关可以处于数字模式（如在计算机控制逻辑中），其中晶体管在两种状态（关闭和打开）之间切换，或者在模拟模式（大多数MMIC应用）中切换，其中输入信号的微小变化（在栅极 /基极端子上）在另外两个连接端子（源极和漏极端子以及集电极端子和发射极端子）之间放大。

图1.2场效应管（FET）和双极型晶体管的电气符号和开关表示

FET的基本操作是它通常在漏极端子上以正电压VDD（通常为 5V）偏置，并且源极接地，使得电流从漏极流向源极，称为漏极电流（ID） 。漏极电流由栅极和源极之间的电压（VGS）控制。当栅极电压（VGS）为0时，漏极电流可以通过，FET导通“导通”;当栅极电压很大且为负（通常为--5V）时，没有漏极电流可以通过，此时FET被“关断”。

双极型晶体管也具有类似的操作，但在基极上需要不同的控制电压。它通常偏置为正电压即集电极上的VCC（通常为 5V），发射极接地，因此电流从集电极流向发射极。该电流由基极和发射极之间的电压（VBE）控制。当VBE为0时，没有电流可以通过，晶体管被“关闭”，通常，当VBE大于 0.7V时，集电极电流可以通过，晶体管被“接通”。

我们后面将会给出FET和双极晶体管的构造，操作原理以及偏置电压的详细描述。FET的类型包括金属半导体场效应晶体管（MESFET）和高电子迁移率晶体管（HEMT）。双极型晶体管的类型包括传统的硅互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管和异质结双极晶体管（HBT）。这些不同的晶体管类型通常最适合某些MMIC电路类型，如表1.2所示。根据我们的经验和相关文献的说明，这个表格不是完全确定的，在此列出只是作为新MMIC设计师的参考指南。

表1.2 MMIC电路类型最适合不同的晶体管类型