SiGe 為 3G無線通信提供技術(shù)支撐

SiGe雙極和 BiCMOS 工藝技術(shù),在傳輸?shù)膬啥税缪萘艘粋€(gè)支撐角色。

第三代 (3 G) 無線通信正在快速地變成現(xiàn)實(shí)。3 G 得以成功實(shí)施，一個(gè)重要的原因是在傳輸?shù)膬啥税缪萘酥谓巧逆N硅 (SiGe) 雙極和 BiCMOS 工藝技術(shù)。在手機(jī)中， SiGe 在更低的電壓下給射頻 (RF) 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)帶來更快的速率, 在支持3 G 多媒體通信所必需的更高帶寬的同時(shí)，保持功耗降低。基站也從SiGe受益：高速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器成功地用更寬的帶寬處理更多的通道。雖然 SiGe 的基本特性對(duì)兩種應(yīng)用而言是相似的，但對(duì)應(yīng)于每種應(yīng)用背后的半導(dǎo)體工藝之間有差別。

圖1  SiGe 雙極晶體管增益－頻率曲線


圖2  SiGe 雙極晶體管fT與電流密度的關(guān)系


圖3  SiGe雙極晶體管I-V特性

速度和低功耗
雖然 SiGe技術(shù)在1990年代后期之前已經(jīng)有了有限的進(jìn)展，但是它開始大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)還是在引入新的、性能大大改善的SiGe淀積設(shè)備之后。在2000年前后，受到無線通信市場(chǎng)對(duì)速度和低功耗需求的刺激，許多的半導(dǎo)體制造業(yè)者已經(jīng)開發(fā)或者正在開發(fā)新的SiGe工藝。今天， SiGe已經(jīng)成為無線手機(jī)射頻部分的標(biāo)準(zhǔn)工藝，而且它在基站中的使用正在增加。
SiGe工藝涉及到對(duì)雙極晶體管的基區(qū)進(jìn)行鍺摻雜,這將大幅度地提高載流子遷移率，使得從發(fā)射極到集電極的渡越時(shí)間特別短。表征這些晶體管的速率的關(guān)鍵特性是轉(zhuǎn)移頻率(fT), 隨著頻率提高，晶體管在這一頻率點(diǎn)的增益減少到1。就實(shí)際的應(yīng)用而言， SiGe器件通常工作在比fT低得多的速率上, 在這個(gè)頻率區(qū)域增益不是常數(shù)，如圖 1 所示。因此假設(shè)下面晶體管的fT是45GHz，器件可能工作在2~5GHz，這對(duì)支持3G射頻傳輸是足夠的了。如圖 2 所見，在較低的fT工作只需要較低的工作電流，也就是比較低的功耗，這對(duì)于延長(zhǎng)電池的使用壽命是很關(guān)鍵的。
一個(gè)相關(guān)的趨勢(shì)是較高fT的晶體管可以用比較低的電壓工藝來實(shí)現(xiàn)， 這是因?yàn)橛惺褂幂^薄基區(qū)的能力。結(jié)果，SiGe 射頻元件在電池電壓下能擠出較高的速率。在一個(gè)無線手機(jī)中無需為射頻部分引入一個(gè)額外的電源，從而節(jié)省了材料花費(fèi)、電路板面積，降低了功耗。
SiGe器件的寬動(dòng)態(tài)范圍使得它有可能在單級(jí)完成基帶與射頻前端之間的上變頻和下變頻，這也節(jié)省了芯片成本，降低了功耗。
今天大多數(shù)的SiGe工藝開發(fā)旨在推動(dòng) fT 超過100GHz器件的生產(chǎn)，更高頻率的器件尚在實(shí)驗(yàn)室階段。由于可移動(dòng)的、由電池供電的手機(jī)的功耗受到限制，這一個(gè)趨勢(shì)就很有意義。無線產(chǎn)品的主要半導(dǎo)體供應(yīng)商正在努力使其產(chǎn)品設(shè)計(jì)跟上這些工藝開發(fā)的步伐，以便利用這些工藝提供的低壓特性。在這些較低的電壓下，CMOS也正在變成一個(gè)重要的射頻競(jìng)爭(zhēng)者,特別是在最近130nm和90nm兩代工藝，當(dāng)溝道長(zhǎng)度小于 100nm時(shí)，就為將射頻、模擬和數(shù)字電路集成在單一芯片上提供了可能性。 因此， SiGe不能躺在自己的榮譽(yù)簿上停滯不前, 必須永遠(yuǎn)向這個(gè)產(chǎn)品系列的較高的速率推進(jìn)。

一個(gè)較好的互補(bǔ)工藝
盡管fT是這么重要，但增加fT只是故事的一部分，特別是對(duì)于模擬功能來說更是這樣。最快速的 SiGe 工藝只用 NPN晶體管實(shí)現(xiàn)，在極高頻它比PNP管容易制造。在這些 NPN主宰的 SiGe 工藝中，PNP管速度非常慢, fT額定值勉強(qiáng)能達(dá)到GHz范圍。因?yàn)樵S多比較好的模擬功能設(shè)計(jì)需要同時(shí)使用NPN管和PNP管，能夠生產(chǎn)fT特性匹配良好的兩種類型雙極晶體管的互補(bǔ) SiGe工藝 將是極有生命力的。
這樣的工藝目前已經(jīng)存在。舉例來說， 用BiCom- III SiGe工藝制作的PNP管，其fT與 NPN管一樣達(dá)到令人驚訝的20GHz。 對(duì)于這些模擬應(yīng)用，工藝上為了獲得高的fT，使用較高的工作電壓(這里是5V)，這對(duì)于這些功能是重要的。即使如此， NPN和PNP的 20GHz的fT相對(duì)于非 SiGe互補(bǔ)雙極晶體管工藝仍然表現(xiàn)出3倍的速度優(yōu)勢(shì)；而且因?yàn)楣に嚤辉O(shè)計(jì)為在 3V和5V下工作，用普通的系統(tǒng)電源就能為它供電。
極低的電壓在基站中不象在手機(jī)中那么重要，因此互補(bǔ)SiGe工藝就在這些系統(tǒng)中獲得回報(bào)。即使許多模擬功能被設(shè)計(jì)為只使用 NPN晶體管，良好匹配的 NPN和PNP管的存在使得基站中信號(hào)波形調(diào)制所需的高速線性運(yùn)算放大器的構(gòu)建更有效。 運(yùn)算放大器也需要高增益和高信噪比(SNR)，從而使這些高電壓工藝成為必需。互補(bǔ) SiGe 工藝能極好地滿足這些需求。
在BiCom-III工藝創(chuàng)建初期， SiGe 的速度優(yōu)勢(shì)被用來增加晶體管的基區(qū)寬度和摻雜濃度， 這不但提高PNP管的速度，也明顯增加了晶體管的線性度。好線性度來自于有高增益的平坦的I-V曲線(見圖3)。得到的結(jié)果是SNR、共模抑制比明顯增加，更高的環(huán)路增益，以及用更少的電路元件和更低的功耗達(dá)到更高的精度的能力。
利用這些特點(diǎn)和工藝固有的速度優(yōu)勢(shì)，許多無線系統(tǒng)將能夠用互補(bǔ)SiGe工藝制作的AB類運(yùn)算放大器替代用其他工藝制做的A類射頻放大器, 從而使功耗降低，器件之間的增益一致性提高，為設(shè)計(jì)和制造提供了更大的容限。
除了互補(bǔ)雙極晶體管，其他的元件也能集成在 BiCom-III工藝中，包括用于制作邏輯電路的CMOS晶體管、非常穩(wěn)定的金屬-絕緣層-金屬電容、精密薄膜電阻和低溫度系數(shù)多晶硅電阻，使這個(gè)工藝能用于制作多種混合信號(hào)產(chǎn)品。連同雙極晶體管高的速率和增益，以及低的噪聲和失真，這些元件使基站信號(hào)鏈可以獲得極好的性能。使用具有如此高性能的ADC和運(yùn)算放大器，基站開發(fā)者就能在滿足3G通信容量和帶寬需求的同時(shí)，保持模擬信號(hào)通道體積、成本和功耗為最小。

新的通信利益
在短時(shí)間內(nèi)， SiGe 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟到這樣一個(gè)程度：正在兩個(gè)不同的方向進(jìn)行研究。一方面，研究重點(diǎn)放在具有較高 fT的 NPN管的工藝正在降低射頻電壓和功耗，以節(jié)省電池在手機(jī)中的空間；另一方面，互補(bǔ)工藝尋求通過犧牲一些fT速率提高線性度來達(dá)到NPN與PNP管之間的平衡，從而為用于基站的運(yùn)算放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供最優(yōu)的基本電路。后一種工藝在將無源元件與邏輯電路用CMOS晶體管集成到一起方面不斷改進(jìn)，以支持多種多樣混合信號(hào)產(chǎn)品。 經(jīng)過兩個(gè)方向的研發(fā)， SiGe已經(jīng)成為3G無線通信成功背后的一種重要技術(shù)，并間接地支持3G未來將會(huì)帶來的許多好處。■(李應(yīng)選譯)