微波集成电路 课件 第六章 微波单片集成技术

第六章微波单片集成技术目录概况MMIC元部件技术MMIC工艺

EDA技术MMIC设计MMIC测试与封装WhatWhyHow微波单片集成电路基本概念概况What?MMIC:MonolithicMicrowaveIntergratedCircuitMonolithic:希腊语，asinglestone，定义了MMIC的外形；Microwave:300MHz~300GHz,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。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）~1/10A（HMIC）W（MMIC）~1/1000W（HMIC）

电路设计更灵活，减小了寄生参数Why?微波单片集成电路基本概念典型应用-RADAR、智能武器微波单片集成电路基本概念半导体材料&&低损耗介质计算机辅助设计（CAD）先进的半导体制造技术ProcessDesignMethodHow?微波单片集成电路基本概念有源器件晶体管…无源元件电容电感电阻通孔…元部件技术

UMSPH25DesignKitinADS无源元件MMIC中的无源元件电感电容电阻输入输出PAD

(GSG)引线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,PHEMT,MHEMT(ModifiedHEMT)MOSFET,CMOSFET(ComplementaryMOSFET)IGFET(IsolatedGateFET)MISHEMT，MOSHEMT按材料分类Si,SiGe,GaAs,InP,SiC,GaN,Graphene…有源器件HEMTMOSFETMESFET电子迁移率更高几种半导体关键参数SiGaAsGaN4H-SiC石墨烯禁带宽度

eV1.11.43.23.20~0.25击穿场强MV/cm0.60.63.53.5Unkown热导率W/(cm·k)1.50.51.34.930~50饱和速度

107cm/s11.2(2.1)2.5(2.7)1.9>3电子迁移率

cm2/Vs15008500(1000)900(2000)70060000Max.介电常数11.412.89.89.7Unkown工作温度

oC175175600650Unkown抗辐照能力

rad1041061010109Unkown晶体管的常用范围2006年SteveMarsh《practicalMMICDesign》毫米波MMIC——Si/Ge基MMIC1.SiGeHBT发展,形成SiGeBiCMOS工艺;2.SiCMOS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MMIC工艺Step1:有源层外延Step2:欧姆接触以GaAsPHEMT工艺为例Step3:硼离子注入MMIC工艺Step4:制作栅电极MMIC工艺Step5:第一层金属MMIC工艺Step6:介质层MMIC工艺Step7:第二层金属MMIC工艺Step8:通孔制作MMIC工艺Step9:划片道制作MMIC工艺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AgilentADS,AnsoftDesigner,AWRMicrowaveOffice。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。S参数定义EDA技术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Rser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=166μmw=20μms=10μm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，MIM电容模型电容模型验证

尺寸为200×484μm2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MESFET；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。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。建模方法代表性器件模型第一代半导体SiCMOS，SiGeHBT,SiGeBiCMOSBSIM4，VBIC第二代半导体GaAsMESFETGaAspHEMT,InPpHEMT，Curtice、TOM、Martaka、EEHEMT第三代半导体SiCMESFET，GaN异质结器件HEMTModifiedmodels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

CadenceLayout,LVSandDRCCheckCircuit-LevelSimulationADS

Circuit-LevelandEMSimulationLayout,DRCCheckAnsoftHFSS

EM-LevelSimulation

AWRMicrowaveOffice

Circuit-LevelandEMSimulationLayout,DRCCheck

IC-CAPModellingSoftware……Co-simulation模型MMIC工艺线MMIC电路晶圆代工厂:Triquent\WIN\UMS\OMMIC\NorthropGrumman\Raytheon\HRLLab\Agilent\skyworks\M/A-COM\RFMD\Eudyna成本、频率、功率密度MMIC工艺线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。MMIC设计fRFfLOfIMfIFfIFfIFfRFfLOfIFfRF-fLO=

fLO-

fIM=

fIFWhy?4th

谐波可降低源频率的要求。MMIC设计How?指标：RF:34~38GHz；IF:0~3GHz变频损耗(CL)：<20dB；镜频抑制度（IRR）:>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。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：AgilentADS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MMIC的测试MMIC的测试和封装AgilentN5250C10MHz~110GHzAnritsuME7828A70KHz~110GHzR&SZVA110