半導體材料競爭無(wú)線(xiàn)應用領(lǐng)域

每周發(fā)生一次技術(shù)旋風(fēng)的地方是無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)。在不到三年的時(shí)間里，數字信號處理器（DSP）在無(wú)線(xiàn)電話(huà)里已經(jīng)含括了許多功能，調制技術(shù)已經(jīng)從模擬發(fā)展到復雜的數字，研究的重點(diǎn)已從聲音轉到數據。設計師們則集中精力整理那些可以驅動(dòng)他們的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的技術(shù)，通向成功的道路總是要放棄許多錯誤的假設。幸運的是，半導體技術(shù)的發(fā)展，盡管步伐很快，仍然給設計師們留下時(shí)間來(lái)挑選最適合某一特定應用的器件。

毫無(wú)疑問(wèn)，相互競爭的工藝和器件類(lèi)型現在比以前增加了很多。曾經(jīng)有一段時(shí)間只有Si基晶體管，現在則有Si基、砷化鎵(GaAs)基、硅鍺(SiGe)基、碳化硅(SiC)基，也許很快就會(huì )有磷化銦(InP)基晶體管；器件類(lèi)型包括雙極型、場(chǎng)效應管(FETs）、異質(zhì)結雙極晶體管(HBTs)和高電子遷移率晶體管(HEMTs)等。在未來(lái)幾年里，為在無(wú)線(xiàn)手機市場(chǎng)和基礎設施建設方面占有一席之地，所有這些器件會(huì )形成一個(gè)緊張激烈的競爭場(chǎng)面。實(shí)際上，現有的設計環(huán)境只支持有限的幾種器件和工藝，而每一種因其具有的優(yōu)缺點(diǎn)劃定了應用范圍。

例如Si橫向擴散金屬氧化物半導體在基站功率放大器（PA）占絕對統治地位，幾乎被放大器制造商普遍接受。其工藝的穩定性已被多年來(lái)大量的產(chǎn)品所證明，盡管已接近實(shí)際極限，但仍將在頻率和性能方面居于領(lǐng)先。手機功率放大器將繼續是GaAs HBTs的天下，它具有第三代(3G)手機所需的三級截接性能。GaAs HEMT在現有器件中具備可靠的最好噪聲性能，加上它的擴展頻率范圍，擊退了在噪聲關(guān)鍵應用領(lǐng)域其它器件的挑戰。

在這些表面上看起來(lái)堅不可摧的堡壘之外，潛藏著(zhù)像SiGe和SiC這樣相對較新的技術(shù)，他們已經(jīng)影響到目前的設計。其中，SiGe發(fā)展最好，最有可能在某些應用領(lǐng)域取代傳統器件。事實(shí)上，盡管商用SiGe器件出現才只有幾年時(shí)間，由于它與現有的MOS(CMOS）工藝設備良好的相容性，其工藝已經(jīng)用到許多主流應用領(lǐng)域。

SiGe是IBM公司于1982年首先開(kāi)發(fā)的。這項技術(shù)最初被IBM看作是用于巨型計算機的Si雙極晶體管的繼承者。然而巨型計算機市場(chǎng)的劇變、日益增大的成本壓力，加上CMOS工藝的發(fā)展，一度將SiGe暫時(shí)擱置不用。?/P>

然而SiGe技術(shù)的巨大潛力促使IBM繼續投資研究。人們早就知道，通過(guò)修改禁帶寬度就能使一個(gè)雙極半導體達到更高的性能。要做到這一點(diǎn)，必須在Si襯底上外延生長(cháng)一層摻Ge的Si，從而有效減小禁帶寬度。這項技術(shù)推動(dòng)了像GaAs這樣的三-五族化合物在高頻應用領(lǐng)域的突起。然而與Si相比較，GaAs是一種稀有、昂貴的化合物，而硅是大量存在的廉價(jià)品。

嚴格來(lái)講，Si和Ge的晶格結構有些不同。如果Ge在Si 上生長(cháng)，會(huì )產(chǎn)生應變。這個(gè)應變可以用來(lái)修改材料的禁帶和其它特性，有效地產(chǎn)生具有更高電子遷移率的新材料。工藝的進(jìn)步需要多年才能達到，得到的器件卻比GaAs性能更好，fmax 大于70GHz，另有良好的噪聲性能，功率增加效率（PAE）高達70%，更重要的是，從實(shí)際的角度來(lái)看，SiGe器件可用現有性能良好、成品率高的CMOS技術(shù)來(lái)制造(圖1)。

這不僅使HBT器件具有GaAs這樣的化合物半導體的 特性，又具有Si器件的工藝優(yōu)勢。也就是說(shuō)，SiGe比單純的Si有更高的fmax(約65GHz），較小的功耗，與CMOS工藝兼容，所以SiGe器件可以與CMOS和雙極器件一起制作在硅片上。這種器件可以在單個(gè)集成電路上集成更多的元件，并獲得相應的高效率，低噪聲。它也給低于2.4GHz的無(wú)線(xiàn)電路設計師們提供了更多的自由度，因為這種工藝的高速能力可以折衷選擇其它方面如低功耗、好的線(xiàn)性度、較低的噪聲或更大的動(dòng)態(tài)范圍(圖2)等，以獲得更佳的性能。

SiGe的工藝優(yōu)勢在于不斷有以其為基礎的產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng),最近的兩個(gè)產(chǎn)品是Stanford Microdevices公司的SGA-0163和SGA-0363HBT單片微波集成電路(MMIC)放大器。適于小電流是關(guān)鍵參數的場(chǎng)合如無(wú)線(xiàn)基礎設施和固定無(wú)線(xiàn)應用。它們的工作頻率可高達5GHz，在2GHz的小信號增益分別為12和17dB。兩個(gè)器件的工作電壓在8mA條件下低至2.1VDC。

英國SiGe Microsystem公司也在銷(xiāo)售產(chǎn)品，包括用于藍牙技術(shù)的PA2423MB 2.4GHz PA RF IC。這些器件具備+22.7dBm的輸出，45%的PAE，95mA 的電流（在+20dBm的輸出時(shí)），需要一個(gè)3.3V直流電源。

Maxim公司的低噪聲放大器 MAX2645 為3.4～3.8GHz 的無(wú)線(xiàn)本地環(huán)、無(wú)線(xiàn)寬帶和數字微波無(wú)線(xiàn)應用設計，典型增益為14.4dB, +4dBm輸入三階截取點(diǎn)(IP3)，2.3dB 的噪聲水平，在9.2mA電流時(shí)工作在3.0～5.5VDC。該器件有一個(gè)增益階躍特性，即將低噪聲放大器的增益減少24dB, 同時(shí)將輸入IP3增加到+13dBm，在大輸入信號條件下有效改善接收器前端性能，并將電流降到3mA。 IP3可以通過(guò)外接偏置電阻進(jìn)行調節。

Intersil公司的SiGe ISL3685 2.4GHz RF/IF變換器和合成器包括一個(gè)低噪聲的可選擇增益放大器，然后是接收鏈中的一個(gè)下變頻器混頻器，一個(gè)上變頻器混頻器和發(fā)射鏈中的一個(gè)前置放大器。ISL3984 PA 和檢測器包括兩級，合起來(lái)產(chǎn)生+18dBm的輸出。檢測器在15dB±1dB的動(dòng)態(tài)范圍內是準確的。這兩個(gè)產(chǎn)品都工作在2.7～3.6VDC的單電源。

Atmel的SiGe代加工線(xiàn)生產(chǎn)能力已升級到最大頻率達82GHz，該公司在生產(chǎn)了數百萬(wàn)SiGe產(chǎn)品以后，決定提高產(chǎn)品的頻率上限。

IBM公司開(kāi)創(chuàng )了SiGe研究的先河，現在也提供SiGe產(chǎn)品。這家公司研發(fā)了第一個(gè)具有SiGe前端的全球定位系統(GPS）Rx芯片組。12 通道的Rx大小為40×66mm，但包括存儲器，一個(gè)GPS晶體，連接器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 以及PowerPC 401 嵌入式處理器以提高吞吐力和進(jìn)行應用開(kāi)發(fā)。直接轉換Rx芯片組能將RF信號轉換為數字信號，而無(wú)需混頻器、振蕩器和濾波器。這家公司還生產(chǎn)IBM43RF0100，一種SiGe NPN型晶體管，在2GHz 噪聲為1.1dB，工作電壓1～2.7VDC，10GHz的輸入IP3 能力為+10dBm。IBM與所有利用SiGe的制造商都有聯(lián)系，并用它們自己的SiGe工藝設備提供加工服務(wù)。

當SiGe大步走向無(wú)線(xiàn)應用時(shí)，微波工業(yè)已經(jīng)有近15年使用GaAs器件搭建系統的經(jīng)驗，而且GaAs器件的數量和種類(lèi)超過(guò)SiGe。GaAs的支持者強調，如果考慮整個(gè)系統搭建的平臺，GaAs具有不可比擬的優(yōu)勢，包括在芯片上集成無(wú)源元件，良好的工藝和很高的成品率。GaAs與其替代品之間的真正比較不但要包括器件成本，還必須包括將器件用到系統中的所有費用?？紤]到這些，GaAs具有明顯的競爭優(yōu)勢。

在A(yíng)gilent公司GaAs仍然是主力（至少在功率應用方面），SiGe正在被評估。無(wú)線(xiàn)半導體分部研發(fā)部經(jīng)理David Wu說(shuō)?！拔覀冇X(jué)得SiGe技術(shù)非常成熟，正在尋找最適合的應用領(lǐng)域。比如正在用SiGe實(shí)現上變頻和下變頻這樣的功能，我們的一種芯片組，其下一代將用SiGe?！?/font>