第六章 微波单片集成技术电子科大

1、电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义第六章 微波单片集成技术电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义目录p 概况概况p MMICMMIC元部件技术元部件技术p MMIC MMIC工艺工艺 p EDAEDA技术技术p MMIC MMIC设计设计p MMIC MMIC测试与封装测试与封装电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义WhatWhyHowu微波微波单单片集成片集成电电路基本路基本概概念念p 概况电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义What?MMIC: Monolithic Microwave Intergrated CircuituMonolithic: 希腊语，希腊语，a sin

2、gle stone，定义了，定义了MMIC的外形；的外形； uMicrowave: 300MHz300GHz, 定义了工作频率；定义了工作频率；uIC ：表明：表明“stone” 是由有源器件、无源元件和所有连接组是由有源器件、无源元件和所有连接组成的完整系统，不包含单个（独立）的有源器件，定义了成的完整系统，不包含单个（独立）的有源器件，定义了 “stone” 的材质，即半导体。的材质，即半导体。定义：定义： 利用半导体批生产技术，将微波电路中所有的有源器件和无利用半导体批生产技术，将微波电路中所有的有源器件和无源元件都制作在一块半导体衬底上的电路。源元件都制作在一块半导体衬底上的电路。u微

3、波微波单单片集成片集成电电路基本路基本概概念念电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u优点 u成本低u可靠性高u体积小u重量轻u工作频带更宽Why?u微波微波单单片集成片集成电电路基本路基本概概念念电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义典型应用-RADAR、智能武器u微波微波单单片集成片集成电电路基本路基本概概念念电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义半导体材料半导体材料& & &低损耗介质低损耗介质计算机辅助设计算机辅助设计（计（CADCAD）先进的半导体先进的半导体制造技术制造技术ProcessDesign MethodHow?u微波微波单单片集成片集成电电路

4、基本路基本概概念念电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 有源器件有源器件晶体管晶体管 无源元件无源元件电容电容电感电感电阻电阻通孔通孔p 元部件技术 UMS PH25 Design Kit in ADS电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u 无源元件 MMIC 中的无源元件电感电容电阻引线PAD(GSG)输入/输出PAD通孔电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 按结构分类按结构分类 二极管（肖特基势垒和结型二极管）二极管（肖特基势垒和结型二极管） 双极型晶体管双极型晶体管( (BJT，HBT) ) 场效应晶体管（场效应晶体管（FET） JFET MESFET HEMT, PHEMT

5、, MHEMT MOSFET, CMOSFET IGFET MISHEMT， MOSHEMT 按材料分类按材料分类Si, SiGe, GaAs, InP, SiC, GaN, Grapheneu 有源器件HEMTMOSFETMESFET电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义几种半导体关键参数Si SiGaAsGaAsGaNGaN4H-SiC4H-SiC 石墨烯石墨烯禁带宽度禁带宽度 eVeV1.11.11.41.43.23.23.23.200.2500.25击穿场强击穿场强MV/cmMV/cm0.60.60.60.63.53.53.53.5UnkownUnkown热导率热导率WW/( /(c

6、mk)cmk)1.51.50.50.51.31.34.94.930503050饱和速度饱和速度 10107 7cm/scm/s1 11.2(2.1)1.2(2.1)2.5(2.7)2.5(2.7)1.91.933电子迁移率电子迁移率 cmcm2 2/Vs/Vs1500150085008500(1000)(1000)900900(2000)(2000)7007006000060000Max.Max.介电常数介电常数11.411.412.812.89.89.89.79.7UnkownUnkown工作温度工作温度 o oC C175175175175600600650650UnkownUnkown抗

7、辐照能力抗辐照能力 radrad10104 410106 61010101010109 9UnkownUnkown电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义晶体管的常用范围2006年年Steve Marsh practical MMIC Design电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义毫米波毫米波MMICSi/Ge 基基MMIC1.SiGe HBT发展发展, 形成形成 SiGe BiCMOS工艺工艺;2.Si CMOS 成本低、功耗低可与基带工艺兼容；成本低、功耗低可与基带工艺兼容；3.工艺特征尺寸从工艺特征尺寸从130nm到到22nm。晶体管的常用范围电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲

8、义p MMIC 工艺Step1:有源有源层层外延外延Step2:欧欧姆接姆接触触以以GaAs PHEMTGaAs PHEMT工艺为例工艺为例电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义Step3:硼离子注入硼离子注入p MMIC 工艺电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义Step4:制作制作栅电极栅电极p MMIC 工艺电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义Step5:第一第一层层金金属属p MMIC 工艺电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义Step6:介介质层质层p MMIC 工艺电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义Step7:第二第二层层金金属属p MMIC 工艺电子科技大学电子工

9、程学院微波集成电路讲义Step8:通孔制作通孔制作p MMIC 工艺电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义Step9:划划片道制作片道制作p MMIC 工艺电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p EDA技术为了设计为了设计MMICMMIC电路，设计者必须根据指标寻求电路电路，设计者必须根据指标寻求电路拓扑结构，然后通过拓扑结构，然后通过CADCAD技术技术MMICMMIC电路进行准确的电路进行准确的预测（仿真）。预测（仿真）。目前主流仿真工具有目前主流仿真工具有Agilent ADS, Ansoft Designer, Agilent ADS, Ansoft Designer, AWR

10、Microwave OfficeAWR Microwave Office。仿真工具可以把仿真工具可以把MMICMMIC电路中的元部件通过各自模电路中的元部件通过各自模型连接起来，然后通过微波理论对整个电路进行型连接起来，然后通过微波理论对整个电路进行时域或者频域的仿真。时域或者频域的仿真。电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义S 参数定义11122122 SSSSS211110abSa111220abSa222110abSa122220abSap EDA技术电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p 无源元件模型 建模方法和技术建模方法和技术等效电路模型实际测试的S参数物理模型理论近似公式严

11、格理论公式等效电路拓扑VNARLC严格理论公式或者自定义函数电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义传输线电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义电感电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义螺旋电感参数的计算螺旋电感参数的计算)exp(1 twlRser电感：)32(ln2ltwtwllLs电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义电感模型的验证电感模型的验证n=9n=9L=166L=166 mmw=20w=20 mms=10s=10 mm)2/()/1 (11fYimagL)/1 (/ )/1 (1111YrealYimagQ 电感电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义HFSS中的电感建模中

12、的电感建模电感电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义电容电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义电容tWLC2012dCGtan12)/exp(1 (2211tWLRRMIM MIM 电容模型电容模型cLZLL022114545. 0022115 . 0cZLCCeff电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义电容模型验证电容模型验证 m2Frequency (GHz)0510152025Imag(Y11)-3-2-1012MeasuredOur ModelEM Simulation电容电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义电阻电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 通孔 空气桥其它元件电

13、子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p 有源器件模型有源器件建模概述有源器件建模概述模型要求模型要求: : 1 1）能够真实反映器件工作时的物理特性；）能够真实反映器件工作时的物理特性； 2 2）足够的精度，在很宽的频带内仍能保证足够的精度；）足够的精度，在很宽的频带内仍能保证足够的精度； 3 3）在保证精度的前提下，模型简单；）在保证精度的前提下，模型简单； 4 4）容易确定模型有关参量。）容易确定模型有关参量。 5 5）能够准确预测器件工作时的线性和非线性特性。）能够准确预测器件工作时的线性和非线性特性。 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义建模方法概述电子科技大学电子工程学院微波集

14、成电路讲义建模方法电路软件网络分析仪(S参数 )I-V测试仪(I-V特性)建模软件(模型参数)电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义代表性器件代表性器件模型模型第一代半导体第一代半导体Si CMOS，SiGe HBT,SiGe BiCMOSBSIM4，VBIC第二代半导体第二代半导体GaAs MESFETGaAs pHEMT,InP pHEMT，Curtice、TOM、Martaka、EEHEMT第三代半导体第三代半导体SiC MESFET，GaN异质结器件异质结器件HEMTModified models典型微波半导体器件及其模型典型微波半导体器件及其模型模型电子科技大学电子工程学院微波集成

15、电路讲义模型库的建立和使用模型库的建立和使用模型电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义n Cadence Layout, LVS and DRC Check Circuit-Level Simulationn ADS Circuit-Level and EM Simulation Layout, DRC Checkn Ansoft HFSS EM-Level Simulationn AWR Microwave Office Circuit-Level and EM Simulation Layout, DRC Checkn IC-CAP Modelling SoftwareCo-simula

16、tionCo-simulation模型电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义MMIC 工艺线电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义MMICMMIC电路晶圆代工厂电路晶圆代工厂: :TriquentWINUMSOMMIC TriquentWINUMSOMMIC Northrop Grumman RaytheonHRL LabNorthrop Grumman RaytheonHRL LabAgilentskyworksM/A-COMRFMDEudynaAgilentskyworksM/A-COMRFMDEudyna成本、频率、成本、频率、功率密度功率密度MMIC 工艺线电子科技大学电子工程学院

17、微波集成电路讲义p MMIC 设计 Ka 波段四次谐波混频器波段四次谐波混频器MMICWhat？Why？How？电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 What? 毫米波混频器是接收毫米波混频器是接收/ /发射发射机系统中一个必不可少的部机系统中一个必不可少的部件。件。 主要技术参数：主要技术参数：RFRF和和IFIF频率频率、CLCL、IRRIRR等。等。p MMIC 设计电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义fRFfLOfIMfIFfIFfIFfRFfLOfIFfRF - fLO = fLO - fIM = fIF Why ?4th 谐波可降低源频率的要求。p MMIC 设计电子科技大

18、学电子工程学院微波集成电路讲义 How?1. 1. 指标：指标：RF: 3438GHzRF: 3438GHz；IF: 03GHzIF: 03GHz变频损耗变频损耗(CL)(CL)：20dB20dB:20dB2. 2. 综述：综述： 了解行业内制作了解行业内制作“KaKa频段四次谐波混频器频段四次谐波混频器”的方法及的方法及其优缺点其优缺点”，为制定方案做准备。，为制定方案做准备。3. 3.方案；方案；4. 4.设计；设计；5. 5.实验验证实验验证。p MMIC 设计电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义总体方案优点：1. 变频损耗低；2. 结构简单；缺点：隔离度中等电子科技大学电子工程学院

19、微波集成电路讲义工艺线选取设计软件选择：设计软件选择：Agilent ADSAgilent ADS电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义设计内容1-同相功分器电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义设计内容2-90度移相器电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义设计内容3-单平衡4次谐波混频器步骤1：原理图仿真电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义步骤2：2.5维Momentum 仿真电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义步骤3：原理图和场共仿真电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义优化和布版布版布版电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义仿真结果电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义仿真结果电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义实验验证电子科技大