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(jì)4.6 MMIC測(cè)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(yǔ)，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(wú)源元件和所有連接組成的完整系統(tǒng)，不包含單個(gè)（獨(dú)

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(wú)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(diǎn) 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(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（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(dòng)態(tài)萌芽期(1964)1916年，Jan Czochralski，直拉法實(shí)現(xiàn)Si單晶生長(zhǎng)；1925年， Julius Edgar Lilienfeld，MESFET概念；1947年， Shockley，Brattain&Bardeen，點(diǎn)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(dòng)態(tài)破冰期(19651976)1966年，US 政府，X波段 Si MMIC 開(kāi)關(guān)，機(jī)載相控陣天線；1966年， Jim Turner&C.A. Mead，第一個(gè)GaAs MESFET（VHF）；1970年，微波GaAs 器件性能超越Si電路;1976年，Pengelly&Turner，第一個(gè)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(shí)現(xiàn)了小信號(hào)增益放大器4.1.2 微波單片集成電路發(fā)展動(dòng)態(tài)高速發(fā)展期(19771986)1979年，美國(guó)電氣、電子和電子工程協(xié)會(huì)IEEE,首屆GaAs IC 學(xué)術(shù)會(huì)議；1985年， Plessey Caswell，0.7微米柵長(zhǎng)、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(dòng)態(tài)百花齊放期（1987Now）4.1.2 微波單片集成電路發(fā)展動(dòng)態(tài)MMIC發(fā)展趨勢(shì)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)?、仿真技術(shù)等；集成度：SIP、SOC測(cè)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(wú)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(wú)源元件MMIC 中的無(wú)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(shì)壘和結(jié)型二極管）雙極型晶體管(BJT，HBT)場(chǎng)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(jià)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(chǎng)反方向漂移價(jià)帶頂空穴沿外加電場(chǎng)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(chǎng)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(bào)道了220235GHz的放大器。晶體管的常用范圍毫米波MMICInP MMIC2010年，IEEE MWCL報(bào)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(chǎng)效應(yīng)器件工作原理以N溝道JFET

12、為例IDS(VGS,VDS)1VGS對(duì)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(chǎng)效應(yīng)器件工作原理2. VDS對(duì)IDS的影響(a)VDSVGS-VP時(shí)4.2.4 場(chǎng)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(jì)MMIC電路，設(shè)計(jì)者必須根據(jù)指標(biāo)尋求電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后通過(guò)CAD技術(shù)MMIC電路進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)（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(guò)各自模型連接起來(lái)，然后通過(guò)微波理論對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行時(shí)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(wú)源元件模型建模方法和技術(shù)等效電路模型實(shí)際測(cè)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(jì)算 串聯(lián)電感Lser的計(jì)算 反饋電容Cf的計(jì)算 襯底電容Csub的計(jì)算螺旋電感參數(shù)的計(jì)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(jì)算得到。電感一個(gè)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(jì)算公式如下：電感模型的驗(yàn)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(jì)算可以由平行板電容器的計(jì)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(jì)算公式得到，由金屬導(dǎo)帶引入的電感的計(jì)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(duì)地電容，MI

15、M 電容模型電容模型驗(yàn)證 尺寸為200484 m2電容的測(cè)量值與計(jì)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(shí)反映器件工作時(shí)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(jiǎn)單； 4）容易確定模型有關(guān)參量。 5）能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件工作時(shí)的線性和非線性特性。 建模方法概述方法種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)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(guò)分耗機(jī)時(shí)，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(jì)，尤其是MMIC設(shè)計(jì)和特性模擬。

16、適用CAD技術(shù) 由于加工過(guò)程中不可預(yù)知因素（缺陷等），因此必須以測(cè)量的方法確定其元件值及特性；精度較差。 基于測(cè)量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)單，比較準(zhǔn)確，適用于CAD技術(shù)。應(yīng)用最為廣泛。 必須制造出用于測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)多；會(huì)出現(xiàn)收斂、可微等問(wèn)題；模型精度依賴測(cè)試數(shù)據(jù)的精度；不能對(duì)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(cè)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(kù)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(jì)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(gè)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(jì)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(jì)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(diǎn)”，為制定方案做準(zhǔn)備。3.方案；4.設(shè)計(jì)；5.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。4.5 MMIC 設(shè)計(jì)總體方案優(yōu)點(diǎn)：1. 變頻損耗低；2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：隔離度中等工藝線選取設(shè)計(jì)軟件選擇：Agilent ADS設(shè)計(jì)內(nèi)容1-同相功分器設(shè)計(jì)內(nèi)容2-90度移相器設(shè)計(jì)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(chǎng)共仿真優(yōu)化和布版布版仿真結(jié)果仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4.6.1 MMIC的測(cè)試4.6 MMIC的測(cè)試和封裝Agilen