半導(dǎo)體材料競(jìng)爭(zhēng)無線應(yīng)用領(lǐng)域

每周發(fā)生一次技術(shù)旋風(fēng)的地方是無線市場(chǎng)。在不到三年的時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在無線電話里已經(jīng)含括了許多功能，調(diào)制技術(shù)已經(jīng)從模擬發(fā)展到復(fù)雜的數(shù)字，研究的重點(diǎn)已從聲音轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)師們則集中精力整理那些可以驅(qū)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(cuò)誤的假設(shè)。幸運(yùn)的是，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，盡管步伐很快，仍然給設(shè)計(jì)師們留下時(shí)間來挑選最適合某一特定應(yīng)用的器件。

毫無疑問，相互競(jìng)爭(zhēng)的工藝和器件類型現(xiàn)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(xiàn)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；器件類型包括雙極型、場(chǎng)效應(yīng)管(FETs）、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBTs)和高電子遷移率晶體管(HEMTs)等。在未來幾年里，為在無線手機(jī)市場(chǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)面。實(shí)際上，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)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(yīng)用范圍。

例如Si橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體在基站功率放大器（PA）占絕對(duì)統(tǒng)治地位，幾乎被放大器制造商普遍接受。其工藝的穩(wěn)定性已被多年來大量的產(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(jī)功率放大器將繼續(xù)是GaAs HBTs的天下，它具有第三代(3G)手機(jī)所需的三級(jí)截接性能。GaAs HEMT在現(xiàn)有器件中具備可靠的最好噪聲性能，加上它的擴(kuò)展頻率范圍，擊退了在噪聲關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域其它器件的挑戰(zhàn)。

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

SiGe是IBM公司于1982年首先開發(fā)的。這項(xiàng)技術(shù)最初被IBM看作是用于巨型計(jì)算機(jī)的Si雙極晶體管的繼承者。然而巨型計(jì)算機(jī)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(xù)投資研究。人們?cè)缇椭?，通過修改禁帶寬度就能使一個(gè)雙極半導(dǎo)體達(dá)到更高的性能。要做到這一點(diǎn)，必須在Si襯底上外延生長(zhǎng)一層摻Ge的Si，從而有效減小禁帶寬度。這項(xiàng)技術(shù)推動(dòng)了像GaAs這樣的三-五族化合物在高頻應(yīng)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(yán)格來講，Si和Ge的晶格結(jié)構(gòu)有些不同。如果Ge在Si 上生長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變。這個(gè)應(yīng)變可以用來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(dá)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(dá)70%，更重要的是，從實(shí)際的角度來看，SiGe器件可用現(xiàn)有性能良好、成品率高的CMOS技術(shù)來制造(圖1)。

這不僅使HBT器件具有GaAs這樣的化合物半導(dǎo)體的 特性，又具有Si器件的工藝優(yōu)勢(shì)。也就是說，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(yīng)的高效率，低噪聲。它也給低于2.4GHz的無線電路設(shè)計(jì)師們提供了更多的自由度，因?yàn)檫@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(shì)在于不斷有以其為基礎(chǔ)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(shù)的場(chǎng)合如無線基礎(chǔ)設(shè)施和固定無線應(yīng)用。它們的工作頻率可高達(dá)5GHz，在2GHz的小信號(hào)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(guó)SiGe Microsystem公司也在銷售產(chǎn)品，包括用于藍(lán)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 的無線本地環(huán)、無線寬帶和數(shù)字微波無線應(yīng)用設(shè)計(jì)，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(hào)條件下有效改善接收器前端性能，并將電流降到3mA。 IP3可以通過外接偏置電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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(cè)器包括兩級(jí)，合起來產(chǎn)生+18dBm的輸出。檢測(cè)器在15dB±1dB的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的。這兩個(gè)產(chǎn)品都工作在2.7～3.6VDC的單電源。

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

IBM公司開創(chuàng)了SiGe研究的先河，現(xiàn)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(tǒng)(GPS）Rx芯片組。12 通道的Rx大小為40×66mm，但包括存儲(chǔ)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(yīng)用開發(fā)。直接轉(zhuǎn)換Rx芯片組能將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而無需混頻器、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(shè)備提供加工服務(wù)。

當(dāng)SiGe大步走向無線應(yīng)用時(shí)，微波工業(yè)已經(jīng)有近15年使用GaAs器件搭建系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，而且GaAs器件的數(shù)量和種類超過SiGe。GaAs的支持者強(qiáng)調(diào)，如果考慮整個(gè)系統(tǒng)搭建的平臺(tái)，GaAs具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括在芯片上集成無源元件，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(tǒng)中的所有費(fèi)用?？紤]到這些，GaAs具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在Agilent公司GaAs仍然是主力（至少在功率應(yīng)用方面），SiGe正在被評(píng)估。無線半導(dǎo)體分部研發(fā)部經(jīng)理David Wu說。“我們覺得SiGe技術(shù)非常成熟，正在尋找最適合的應(yīng)用領(lǐng)域。比如正在用SiGe實(shí)現(xiàn)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>