微波集成電路學(xué)習(xí)4：微波單片集成電路課件

1、第四章 微波單片集成電路目錄4.1 概況4.2 MMIC元部件技術(shù)4.3 MMIC工藝4.4 EDA技術(shù) 4.5 MMIC設(shè)計4.6 MMIC測試與封裝WhatWhyHow4.1.1 微波單片集成電路基本概念4.1 概況4.1.1 微波單片集成電路基本概念What?MMIC: Monolithic Microwave Intergrated CircuitMonolithic: 希臘語，a single stone，定義了MMIC的外形； Microwave: 300MHz300GHz, 定義了工作頻率；IC ：表明“stone” 是由有源器件、無源元件和所有連接組成的完整系統(tǒng)，不包含單個（獨

2、立）的有源器件，定義了 “stone” 的材質(zhì)，即半導(dǎo)體。定義： 利用半導(dǎo)體批生產(chǎn)技術(shù)，將微波電路中所有的有源器件和無源元件都制作在一塊半導(dǎo)體襯底上的電路。4.1.1 微波單片集成電路基本概念半導(dǎo)體材料?4.1.1 微波單片集成電路基本概念優(yōu)點 成本低可靠性高體積小重量輕工作頻帶更寬批量生產(chǎn)不存在機(jī)械接頭等A（MMIC）1/10 A（HMIC）W（MMIC）1/100 W（HMIC） 電路設(shè)計更靈活，減小了寄生參數(shù)Why?4.1.1 微波單片集成電路基本概念典型應(yīng)用-RADAR、智能武器4.1.1 微波單片集成電路基本概念2009年2011年4.1.1 微波單片集成電路基本概念半導(dǎo)體材料&低損

3、耗介質(zhì)計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)ProcessDesign MethodHow?4.1.2 微波單片集成電路發(fā)展動態(tài)萌芽期(1964)1916年，Jan Czochralski，直拉法實現(xiàn)Si單晶生長；1925年， Julius Edgar Lilienfeld，MESFET概念；1947年， Shockley，Brattain&Bardeen，點觸式晶體管；1959年，TI 和Fairchild Semiconductor, 發(fā)明單片集成電路；John Bardeen, Walter Brattain, William SchockleyFirst commercial m

4、onolithic integrated circuit, Fairchild, 1961First monolithic integrated circuit, 19594.1.2 微波單片集成電路發(fā)展動態(tài)破冰期(19651976)1966年，US 政府，X波段 Si MMIC 開關(guān)，機(jī)載相控陣天線；1966年， Jim Turner&C.A. Mead，第一個GaAs MESFET（VHF）；1970年，微波GaAs 器件性能超越Si電路;1976年，Pengelly&Turner，第一個GaAs 微波單片集成電路（MMIC）；First GaAs MMIC reported in Ele

5、ctronics Letters,1976在712GHz的微波頻段內(nèi)，實現(xiàn)了小信號增益放大器4.1.2 微波單片集成電路發(fā)展動態(tài)高速發(fā)展期(19771986)1979年，美國電氣、電子和電子工程協(xié)會IEEE,首屆GaAs IC 學(xué)術(shù)會議；1985年， Plessey Caswell，0.7微米柵長、2英寸 的MMIC process；1985年，“能帶工程”，HEMT LNA MMIC(1988)、HBT PA（1989）、InP PA(1990)；4.1.2 微波單片集成電路發(fā)展動態(tài)百花齊放期（1987Now）4.1.2 微波單片集成電路發(fā)展動態(tài)MMIC發(fā)展趨勢基片材料：質(zhì)量、尺寸、新材料；

6、工藝：穩(wěn)定性、成品率、特征尺寸(納米器件)；性能：工作頻率、可靠性、輸出功率、噪聲系數(shù)、帶寬、體積等；CAD：器件建模、電路拓?fù)洹⒎抡婕夹g(shù)等；集成度：SIP、SOC測試：精度、智能化、高頻、多功能化；應(yīng)用：從軍用向民用擴(kuò)散。有源器件晶體管無源元件電容電感電阻通孔4.2 元部件技術(shù) UMS PH25 Design Kit in ADSOpen Topic 二極管是否屬于有源器件？4.2.1 無源元件MMIC 中的無源元件電感電容電阻引線PAD(GSG)輸入/輸出PAD通孔按結(jié)構(gòu)分類二極管（肖特基勢壘和結(jié)型二極管）雙極型晶體管(BJT，HBT)場效應(yīng)晶體管（FET）JFETMESFETHEMT,

7、PHEMT, MHEMTMOSFET, CMOSFETIGFETMISHEMT， MOSHEMT按材料分類Si, SiGe, GaAs, InP, SiC, GaN, CNT, Graphene4.2.2 有源器件HEMTMOSFETMESFET晶體管SEM圖片4.2.3 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體：常溫下電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力具有壓敏、熱敏及因摻雜而改變的特性。半導(dǎo)體的分類：元素半導(dǎo)體：Si, Ge等二元化合物半導(dǎo)體：GaAs, InP, SiC, GaN等N（3）元化和物半導(dǎo)體：InGaAs，AlGaN等第一代：Si, Ge第二代：GaAs, InP第三代：SiC, G

8、aN導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣層的能帶特征導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性導(dǎo)帶底電子沿外加電場反方向漂移價帶頂空穴沿外加電場方向的漂移EejevehvhjhJe=nqve=nquEEg躍遷傳導(dǎo)電子空穴元素周期表幾種半導(dǎo)體關(guān)鍵參數(shù)SiGaAsGaN4H-SiC石墨烯禁帶寬度 eV1.11.43.23.200.25擊穿場強(qiáng)MV/cm0.60.63.53.5Unkown熱導(dǎo)率W/(cmk)1.50.51.34.93050飽和速度 107cm/s11.2(2.1)2.5(2.7)1.93電子遷移率 cm2/Vs15008500(1000)900(2000)70060000Max.介電常數(shù)11.412.

9、89.89.7Unkown工作溫度 oC175175600650Unkown抗輻照能力 rad1041061010109Unkown晶體管的常用范圍It is just an Old Picture!2006年Steve Marsh practical MMIC Design毫米波MMICSi/Ge 基MMIC1.SiGe HBT發(fā)展, 形成 SiGe BiCMOS工藝;2.Si CMOS 成本低、功耗低可與基帶工藝兼容；3.工藝特征尺寸從130nm到22nm。晶體管的常用范圍毫米波MMICSi/Ge 基MMIC功率密度低、噪聲性能不佳！主要用于低功率、低功耗、低等民用通信系統(tǒng)。K. Seng

10、upta and A. Hajimiri (Caltech), ISSCC 201245 nm CMOS4x4 array2.7mm x 2.7mmBW: 276285 GHzBeam angle: 80 degreeOutput power: 190W晶體管的常用范圍3.2.1 毫米波MMIC發(fā)展概述毫米波MMICGaAs MMICTGA4516,30 - 40 GHz,2WTGA4916,29 - 31 GHz,7WTGA4517,31 - 37GHz,3.2W毫米波MMICGaAs MMICAPH631,92 -96GHz,18dBm,G=23dBOmmic-CGY2190UH, 75-

11、110GHz,NF = 2.8 dBAPH631,92 -96GHz,25dBm2010年，F(xiàn)raunhpfer IAF 報道了220235GHz的放大器。晶體管的常用范圍毫米波MMICInP MMIC2010年，IEEE MWCL報道了460482.5GHz的放大器。晶體管的常用范圍毫米波MMICInP MMICUCSB HBT晶體管的常用范圍毫米波MMICGaN MMICHRL-G94,500mW,9295GHz(產(chǎn)品) GaN MMIC 3 W at 95 GHz80GHz到100GHz,1W2013年QuinStar技術(shù)公司晶體管的常用范圍4.2.4 場效應(yīng)器件工作原理以N溝道JFET

12、為例IDS(VGS,VDS)1VGS對溝道電阻及IDS的控制作用(a) VGS=0情況(b) VPVGS0的情況(c) VGSVP4.2.4 場效應(yīng)器件工作原理2. VDS對IDS的影響(a)VDSVGS-VP時4.2.4 場效應(yīng)器件工作原理4.3 MMIC 工藝Step1:有源層外延Step2:歐姆接觸以GaAs PHEMT工藝為例Step3:硼離子注入4.3 MMIC 工藝Step4:制作柵電極4.3 MMIC 工藝Step5:第一層金屬4.3 MMIC 工藝Step6:介質(zhì)層4.3 MMIC 工藝Step7:第二層金屬4.3 MMIC 工藝Step8:通孔制作4.3 MMIC 工藝Ste

13、p9:劃片道制作4.3 MMIC 工藝4.4 EDA技術(shù)為了設(shè)計MMIC電路，設(shè)計者必須根據(jù)指標(biāo)尋求電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后通過CAD技術(shù)MMIC電路進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測（仿真）。目前主流仿真工具有Agilent ADS, Ansoft Designer, AWR Microwave Office。仿真工具可以把MMIC電路中的元部件通過各自模型連接起來，然后通過微波理論對整個電路進(jìn)行時域或者頻域的仿真。4.4.1 S參數(shù)S 參數(shù)定義4.3.2 無源元件模型建模方法和技術(shù)等效電路模型實際測試的S參數(shù)物理模型理論近似公式嚴(yán)格理論公式等效電路拓?fù)銿NARLC嚴(yán)格理論公式或者自定義函數(shù)傳輸線電感 串聯(lián)電阻Rse

14、r的計算 串聯(lián)電感Lser的計算 反饋電容Cf的計算 襯底電容Csub的計算螺旋電感參數(shù)的計算趨膚效應(yīng)導(dǎo)致了串聯(lián)電阻強(qiáng)烈的頻率關(guān)系，一段微帶線的電阻可以由微帶線的公式計算得到。電感一個螺旋電感總的串聯(lián)電感量可以由自感和互感相加得到。其中，直流自感的計算公式如下：電感模型的驗證n=9L=166mw=20 ms=10 m電感HFSS中的電感建模電感電容電容電容的計算可以由平行板電容器的計算公式得到，由電容介質(zhì)引入的損耗電導(dǎo)可以由下式得到，金屬的損耗電阻R11和R22 由金屬趨膚電阻的計算公式得到，由金屬導(dǎo)帶引入的電感的計算是建立在微帶線理論的基礎(chǔ)上的，C11和C22分別是上、下平行板對地電容，MI

15、M 電容模型電容模型驗證 尺寸為200484 m2電容的測量值與計算值的比較電容電阻通孔空氣橋其它元件4.4.3 有源器件模型有源器件建模概述模型要求: 1）能夠真實反映器件工作時的物理特性； 2）足夠的精度，在很寬的頻帶內(nèi)仍能保證足夠的精度； 3）在保證精度的前提下，模型簡單； 4）容易確定模型有關(guān)參量。 5）能夠準(zhǔn)確預(yù)測器件工作時的線性和非線性特性。 建模方法概述方法種類優(yōu)點缺點基于物理數(shù)值模型理論上準(zhǔn)確;適用于各種物理結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的MSEFET；可以預(yù)研究器件。 過分耗機(jī)時，在CAD應(yīng)用中正在完善；準(zhǔn)確度依賴模型，精度有所局限。 解析模型非常適合器件設(shè)計，尤其是MMIC設(shè)計和特性模擬。

16、適用CAD技術(shù) 由于加工過程中不可預(yù)知因素（缺陷等），因此必須以測量的方法確定其元件值及特性；精度較差。 基于測量經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃唵危容^準(zhǔn)確，適用于CAD技術(shù)。應(yīng)用最為廣泛。 必須制造出用于測試的器件為前提，不適合超前器件的研究。 表格模型模型精確，易于建模，通用性好。 測試數(shù)據(jù)多；會出現(xiàn)收斂、可微等問題；模型精度依賴測試數(shù)據(jù)的精度；不能對預(yù)研。 建模方法電路軟件網(wǎng)絡(luò)分析儀(S參數(shù) )I-V測試儀(I-V特性)建模軟件(模型參數(shù))代表性器件模型第一代半導(dǎo)體Si CMOS，SiGe HBT,SiGe BiCMOSBSIM4，VBIC第二代半導(dǎo)體GaAs MESFETGaAs pHEMT,InP pH

17、EMT，Curtice、TOM、Martaka、EEHEMT第三代半導(dǎo)體SiC MESFET，GaN異質(zhì)結(jié)器件HEMTModified models典型微波半導(dǎo)體器件及其模型模型模型庫的建立和使用模型 Cadence Layout, LVS and DRC Check Circuit-Level Simulation ADS Circuit-Level and EM Simulation Layout, DRC Check Ansoft HFSS EM-Level Simulation AWR Microwave Office Circuit-Level and EM Simulation L

18、ayout, DRC Check IC-CAPModelling SoftwareCo-simulation模型MMIC 工藝線MMIC電路晶圓代工廠:TriquentWINUMSOMMIC Northrop Grumman RaytheonHRL LabAgilentskyworksM/A-COMRFMDEudyna成本、頻率、功率密度MMIC 工藝線4.5 MMIC 設(shè)計Ka 波段四次諧波混頻器MMICWhat？Why？How？What?毫米波混頻器是接收/發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中一個必不可少的部件。主要技術(shù)參數(shù)：RF和IF頻率、CL、IRR等。4.5 MMIC 設(shè)計fRFfLOfIMfIFfIFfI

19、FfRFfLOfIFfRF - fLO = fLO - fIM = fIFWhy ?4th 諧波可降低源頻率的要求。4.5 MMIC 設(shè)計How?指標(biāo)：RF: 3438GHz；IF: 03GHz變頻損耗(CL)：20dB綜述： 了解行業(yè)內(nèi)制作“Ka頻段四次諧波混頻器”的方法及其優(yōu)缺點”，為制定方案做準(zhǔn)備。3.方案；4.設(shè)計；5.實驗驗證。4.5 MMIC 設(shè)計總體方案優(yōu)點：1. 變頻損耗低；2. 結(jié)構(gòu)簡單；缺點：隔離度中等工藝線選取設(shè)計軟件選擇：Agilent ADS設(shè)計內(nèi)容1-同相功分器設(shè)計內(nèi)容2-90度移相器設(shè)計內(nèi)容3-單平衡4次諧波混頻器步驟1：原理圖仿真步驟2：2.5維Momentum 仿真步驟3：原理圖和場共仿真優(yōu)化和布版布版仿真結(jié)果仿真結(jié)果實驗驗證4.6.1 MMIC的測試4.6 MMIC的測試和封裝Agilen