SiGe 为 3G无线通信提供技术支撑

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SiGe 为 3G无线通信提供技术支撑

SiGe双极和 BiCMOS 工艺技术,在传输的两端扮演了一个支撑角色。

第三代 (3 G) 无线通信正在快速地变成现实。3 G 得以成功实施，一个重要的原因是在传输的两端扮演了支撑角色的锗硅 (SiGe) 双极和 BiCMOS 工艺技术。在手机中， SiGe 在更低的电压下给射频 (RF) 发射机和接收机带来更快的速率, 在支持3 G 多媒体通信所必需的更高带宽的同时，保持功耗降低。基站也从SiGe受益：高速的数据转换器和运算放大器成功地用更宽的带宽处理更多的通道。虽然 SiGe 的基本特性对两种应用而言是相似的，但对应于每种应用背后的半导体工艺之间有差别。

图1  SiGe 双极晶体管增益－频率曲线


图2  SiGe 双极晶体管fT与电流密度的关系


图3  SiGe双极晶体管I-V特性

速度和低功耗
虽然 SiGe技术在1990年代后期之前已经有了有限的进展，但是它开始大规模商业生产还是在引入新的、性能大大改善的SiGe淀积设备之后。在2000年前后，受到无线通信市场对速度和低功耗需求的刺激，许多的半导体制造业者已经开发或者正在开发新的SiGe工艺。今天， SiGe已经成为无线手机射频部分的标准工艺，而且它在基站中的使用正在增加。
SiGe工艺涉及到对双极晶体管的基区进行锗掺杂,这将大幅度地提高载流子迁移率，使得从发射极到集电极的渡越时间特别短。表征这些晶体管的速率的关键特性是转移频率(fT), 随着频率提高，晶体管在这一频率点的增益减少到1。就实际的应用而言， SiGe器件通常工作在比fT低得多的速率上, 在这个频率区域增益不是常数，如图 1 所示。因此假设下面晶体管的fT是45GHz，器件可能工作在2~5GHz，这对支持3G射频传输是足够的了。如图 2 所见，在较低的fT工作只需要较低的工作电流，也就是比较低的功耗，这对于延长电池的使用寿命是很关键的。
一个相关的趋势是较高fT的晶体管可以用比较低的电压工艺来实现， 这是因为有使用较薄基区的能力。结果，SiGe 射频元件在电池电压下能挤出较高的速率。在一个无线手机中无需为射频部分引入一个额外的电源，从而节省了材料花费、电路板面积，降低了功耗。
SiGe器件的宽动态范围使得它有可能在单级完成基带与射频前端之间的上变频和下变频，这也节省了芯片成本，降低了功耗。
今天大多数的SiGe工艺开发旨在推动 fT 超过100GHz器件的生产，更高频率的器件尚在实验室阶段。由于可移动的、由电池供电的手机的功耗受到限制，这一个趋势就很有意义。无线产品的主要半导体供应商正在努力使其产品设计跟上这些工艺开发的步伐，以便利用这些工艺提供的低压特性。在这些较低的电压下，CMOS也正在变成一个重要的射频竞争者,特别是在最近130nm和90nm两代工艺，当沟道长度小于 100nm时，就为将射频、模拟和数字电路集成在单一芯片上提供了可能性。 因此， SiGe不能躺在自己的荣誉簿上停滞不前, 必须永远向这个产品系列的较高的速率推进。

一个较好的互补工艺
尽管fT是这么重要，但增加fT只是故事的一部分，特别是对于模拟功能来说更是这样。最快速的 SiGe 工艺只用 NPN晶体管实现，在极高频它比PNP管容易制造。在这些 NPN主宰的 SiGe 工艺中，PNP管速度非常慢, fT额定值勉强能达到GHz范围。因为许多比较好的模拟功能设计需要同时使用NPN管和PNP管，能够生产fT特性匹配良好的两种类型双极晶体管的互补 SiGe工艺 将是极有生命力的。
这样的工艺目前已经存在。举例来说， 用BiCom- III SiGe工艺制作的PNP管，其fT与 NPN管一样达到令人惊讶的20GHz。 对于这些模拟应用，工艺上为了获得高的fT，使用较高的工作电压(这里是5V)，这对于这些功能是重要的。即使如此， NPN和PNP的 20GHz的fT相对于非 SiGe互补双极晶体管工艺仍然表现出3倍的速度优势；而且因为工艺被设计为在 3V和5V下工作，用普通的系统电源就能为它供电。
极低的电压在基站中不象在手机中那么重要，因此互补SiGe工艺就在这些系统中获得回报。即使许多模拟功能被设计为只使用 NPN晶体管，良好匹配的 NPN和PNP管的存在使得基站中信号波形调制所需的高速线性运算放大器的构建更有效。 运算放大器也需要高增益和高信噪比(SNR)，从而使这些高电压工艺成为必需。互补 SiGe 工艺能极好地满足这些需求。
在BiCom-III工艺创建初期， SiGe 的速度优势被用来增加晶体管的基区宽度和掺杂浓度， 这不但提高PNP管的速度，也明显增加了晶体管的线性度。好线性度来自于有高增益的平坦的I-V曲线(见图3)。得到的结果是SNR、共模抑制比明显增加，更高的环路增益，以及用更少的电路元件和更低的功耗达到更高的精度的能力。
利用这些特点和工艺固有的速度优势，许多无线系统将能够用互补SiGe工艺制作的AB类运算放大器替代用其他工艺制做的A类射频放大器, 从而使功耗降低，器件之间的增益一致性提高，为设计和制造提供了更大的容限。
除了互补双极晶体管，其他的元件也能集成在 BiCom-III工艺中，包括用于制作逻辑电路的CMOS晶体管、非常稳定的金属-绝缘层-金属电容、精密薄膜电阻和低温度系数多晶硅电阻，使这个工艺能用于制作多种混合信号产品。连同双极晶体管高的速率和增益，以及低的噪声和失真，这些元件使基站信号链可以获得极好的性能。使用具有如此高性能的ADC和运算放大器，基站开发者就能在满足3G通信容量和带宽需求的同时，保持模拟信号通道体积、成本和功耗为最小。

新的通信利益
在短时间内， SiGe 技术已经发展成熟到这样一个程度：正在两个不同的方向进行研究。一方面，研究重点放在具有较高 fT的 NPN管的工艺正在降低射频电压和功耗，以节省电池在手机中的空间；另一方面，互补工艺寻求通过牺牲一些fT速率提高线性度来达到NPN与PNP管之间的平衡，从而为用于基站的运算放大器和数据转换器提供最优的基本电路。后一种工艺在将无源元件与逻辑电路用CMOS晶体管集成到一起方面不断改进，以支持多种多样混合信号产品。 经过两个方向的研发， SiGe已经成为3G无线通信成功背后的一种重要技术，并间接地支持3G未来将会带来的许多好处。