微波集成电路学习4：微波单片集成电路课件

1、第四章 微波单片集成电路目录4.1 概况4.2 MMIC元部件技术4.3 MMIC工艺4.4 EDA技术 4.5 MMIC设计4.6 MMIC测试与封装WhatWhyHow4.1.1 微波单片集成电路基本概念4.1 概况4.1.1 微波单片集成电路基本概念What?MMIC: Monolithic Microwave Intergrated CircuitMonolithic: 希腊语，a single stone，定义了MMIC的外形； Microwave: 300MHz300GHz, 定义了工作频率；IC ：表明“stone” 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

2、立）的有源器件，定义了 “stone” 的材质，即半导体。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源元件都制作在一块半导体衬底上的电路。4.1.1 微波单片集成电路基本概念半导体材料?4.1.1 微波单片集成电路基本概念优点 成本低可靠性高体积小重量轻工作频带更宽批量生产不存在机械接头等A（MMIC）1/10 A（HMIC）W（MMIC）1/100 W（HMIC） 电路设计更灵活，减小了寄生参数Why?4.1.1 微波单片集成电路基本概念典型应用-RADAR、智能武器4.1.1 微波单片集成电路基本概念2009年2011年4.1.1 微波单片集成电路基本概念半导体材料&低损

3、耗介质计算机辅助设计（CAD）先进的半导体制造技术ProcessDesign MethodHow?4.1.2 微波单片集成电路发展动态萌芽期(1964)1916年，Jan Czochralski，直拉法实现Si单晶生长；1925年， Julius Edgar Lilienfeld，MESFET概念；1947年， Shockley，Brattain&Bardeen，点触式晶体管；1959年，TI 和Fairchild Semiconductor, 发明单片集成电路；John Bardeen, Walter Brattain, William SchockleyFirst commercial m

4、onolithic integrated circuit, Fairchild, 1961First monolithic integrated circuit, 19594.1.2 微波单片集成电路发展动态破冰期(19651976)1966年，US 政府，X波段 Si MMIC 开关，机载相控阵天线；1966年， Jim Turner&C.A. Mead，第一个GaAs MESFET（VHF）；1970年，微波GaAs 器件性能超越Si电路;1976年，Pengelly&Turner，第一个GaAs 微波单片集成电路（MMIC）；First GaAs MMIC reported in Ele

5、ctronics Letters,1976在712GHz的微波频段内，实现了小信号增益放大器4.1.2 微波单片集成电路发展动态高速发展期(19771986)1979年，美国电气、电子和电子工程协会IEEE,首届GaAs IC 学术会议；1985年， Plessey Caswell，0.7微米栅长、2英寸 的MMIC process；1985年，“能带工程”，HEMT LNA MMIC(1988)、HBT PA（1989）、InP PA(1990)；4.1.2 微波单片集成电路发展动态百花齐放期（1987Now）4.1.2 微波单片集成电路发展动态MMIC发展趋势基片材料：质量、尺寸、新材料；

6、工艺：稳定性、成品率、特征尺寸(纳米器件)；性能：工作频率、可靠性、输出功率、噪声系数、带宽、体积等；CAD：器件建模、电路拓扑、仿真技术等；集成度：SIP、SOC测试：精度、智能化、高频、多功能化；应用：从军用向民用扩散。有源器件晶体管无源元件电容电感电阻通孔4.2 元部件技术 UMS PH25 Design Kit in ADSOpen Topic 二极管是否属于有源器件？4.2.1 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通孔按结构分类二极管（肖特基势垒和结型二极管）双极型晶体管(BJT，HBT)场效应晶体管（FET）JFETMESFETHEMT,

7、PHEMT, MHEMTMOSFET, CMOSFETIGFETMISHEMT， MOSHEMT按材料分类Si, SiGe, GaAs, InP, SiC, GaN, CNT, Graphene4.2.2 有源器件HEMTMOSFETMESFET晶体管SEM图片4.2.3 半导体物理基础半导体：常温下电导率介于导体和绝缘体之间的材料。半导体导电能力具有压敏、热敏及因掺杂而改变的特性。半导体的分类：元素半导体：Si, Ge等二元化合物半导体：GaAs, InP, SiC, GaN等N（3）元化和物半导体：InGaAs，AlGaN等第一代：Si, Ge第二代：GaAs, InP第三代：SiC, G

8、aN导体、半导体和绝缘层的能带特征导体绝缘体半导体价带导带半导体的导电特性导带底电子沿外加电场反方向漂移价带顶空穴沿外加电场方向的漂移EejevehvhjhJe=nqve=nquEEg跃迁传导电子空穴元素周期表几种半导体关键参数SiGaAsGaN4H-SiC石墨烯禁带宽度 eV1.11.43.23.200.25击穿场强MV/cm0.60.63.53.5Unkown热导率W/(cmk)1.50.51.34.93050饱和速度 107cm/s11.2(2.1)2.5(2.7)1.93电子迁移率 cm2/Vs15008500(1000)900(2000)70060000Max.介电常数11.412.

9、89.89.7Unkown工作温度 oC175175600650Unkown抗辐照能力 rad1041061010109Unkown晶体管的常用范围It is just an Old Picture!2006年Steve Marsh practical MMIC Design毫米波MMICSi/Ge 基MMIC1.SiGe HBT发展, 形成 SiGe BiCMOS工艺;2.Si CMOS 成本低、功耗低可与基带工艺兼容；3.工艺特征尺寸从130nm到22nm。晶体管的常用范围毫米波MMICSi/Ge 基MMIC功率密度低、噪声性能不佳！主要用于低功率、低功耗、低等民用通信系统。K. Seng

10、upta and A. Hajimiri (Caltech), ISSCC 201245 nm CMOS4x4 array2.7mm x 2.7mmBW: 276285 GHzBeam angle: 80 degreeOutput power: 190W晶体管的常用范围3.2.1 毫米波MMIC发展概述毫米波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，Fraunhpfer IAF 报道了220235GHz的放大器。晶体管的常用范围毫米波MMICInP MMIC2010年，IEEE MWCL报道了460482.5GHz的放大器。晶体管的常用范围毫米波MMICInP MMICUCSB HBT晶体管的常用范围毫米波MMICGaN MMICHRL-G94,500mW,9295GHz(产品) GaN MMIC 3 W at 95 GHz80GHz到100GHz,1W2013年QuinStar技术公司晶体管的常用范围4.2.4 场效应器件工作原理以N沟道JFET

12、为例IDS(VGS,VDS)1VGS对沟道电阻及IDS的控制作用(a) VGS=0情况(b) VPVGS0的情况(c) VGSVP4.2.4 场效应器件工作原理2. VDS对IDS的影响(a)VDSVGS-VP时4.2.4 场效应器件工作原理4.3 MMIC 工艺Step1:有源层外延Step2:欧姆接触以GaAs PHEMT工艺为例Step3:硼离子注入4.3 MMIC 工艺Step4:制作栅电极4.3 MMIC 工艺Step5:第一层金属4.3 MMIC 工艺Step6:介质层4.3 MMIC 工艺Step7:第二层金属4.3 MMIC 工艺Step8:通孔制作4.3 MMIC 工艺Ste

13、p9:划片道制作4.3 MMIC 工艺4.4 EDA技术为了设计MMIC电路，设计者必须根据指标寻求电路拓扑结构，然后通过CAD技术MMIC电路进行准确的预测（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时域或者频域的仿真。4.4.1 S参数S 参数定义4.3.2 无源元件模型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传输线电感 串联电阻Rse

14、r的计算 串联电感Lser的计算 反馈电容Cf的计算 衬底电容Csub的计算螺旋电感参数的计算趋肤效应导致了串联电阻强烈的频率关系，一段微带线的电阻可以由微带线的公式计算得到。电感一个螺旋电感总的串联电感量可以由自感和互感相加得到。其中，直流自感的计算公式如下：电感模型的验证n=9L=166mw=20 ms=10 m电感HFSS中的电感建模电感电容电容电容的计算可以由平行板电容器的计算公式得到，由电容介质引入的损耗电导可以由下式得到，金属的损耗电阻R11和R22 由金属趋肤电阻的计算公式得到，由金属导带引入的电感的计算是建立在微带线理论的基础上的，C11和C22分别是上、下平行板对地电容，MI

15、M 电容模型电容模型验证 尺寸为200484 m2电容的测量值与计算值的比较电容电阻通孔空气桥其它元件4.4.3 有源器件模型有源器件建模概述模型要求: 1）能够真实反映器件工作时的物理特性； 2）足够的精度，在很宽的频带内仍能保证足够的精度； 3）在保证精度的前提下，模型简单； 4）容易确定模型有关参量。 5）能够准确预测器件工作时的线性和非线性特性。 建模方法概述方法种类优点缺点基于物理数值模型理论上准确;适用于各种物理结构和工艺参数的MSEFET；可以预研究器件。 过分耗机时，在CAD应用中正在完善；准确度依赖模型，精度有所局限。 解析模型非常适合器件设计，尤其是MMIC设计和特性模拟。

16、适用CAD技术 由于加工过程中不可预知因素（缺陷等），因此必须以测量的方法确定其元件值及特性；精度较差。 基于测量经验模型简单，比较准确，适用于CAD技术。应用最为广泛。 必须制造出用于测试的器件为前提，不适合超前器件的研究。 表格模型模型精确，易于建模，通用性好。 测试数据多；会出现收敛、可微等问题；模型精度依赖测试数据的精度；不能对预研。 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)代表性器件模型第一代半导体Si CMOS，SiGe HBT,SiGe BiCMOSBSIM4，VBIC第二代半导体GaAs MESFETGaAs pHEMT,InP pH

17、EMT，Curtice、TOM、Martaka、EEHEMT第三代半导体SiC MESFET，GaN异质结器件HEMTModified models典型微波半导体器件及其模型模型模型库的建立和使用模型 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 工艺线MMIC电路晶圆代工厂:TriquentWINUMSOMMIC Northrop Grumman RaytheonHRL LabAgilentskyworksM/A-COMRFMDEudyna成本、频率、功率密度MMIC 工艺线4.5 MMIC 设计Ka 波段四次谐波混频器MMICWhat？Why？How？What?毫米波混频器是接收/发射机系统中一个必不可少的部件。主要技术参数：RF和IF频率、CL、IRR等。4.5 MMIC 设计fRFfLOfIMfIFfIFfI

19、FfRFfLOfIFfRF - fLO = fLO - fIM = fIFWhy ?4th 谐波可降低源频率的要求。4.5 MMIC 设计How?指标：RF: 3438GHz；IF: 03GHz变频损耗(CL)：20dB综述： 了解行业内制作“Ka频段四次谐波混频器”的方法及其优缺点”，为制定方案做准备。3.方案；4.设计；5.实验验证。4.5 MMIC 设计总体方案优点：1. 变频损耗低；2. 结构简单；缺点：隔离度中等工艺线选取设计软件选择：Agilent ADS设计内容1-同相功分器设计内容2-90度移相器设计内容3-单平衡4次谐波混频器步骤1：原理图仿真步骤2：2.5维Momentum 仿真步骤3：原理图和场共仿真优化和布版布版仿真结果仿真结果实验验证4.6.1 MMIC的测试4.6 MMIC的测试和封装Agilen