第六章 微波單片集成技術(shù)電子科大

1、電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義第六章 微波單片集成技術(shù)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義目錄p 概況概況p MMICMMIC元部件技術(shù)元部件技術(shù)p MMIC MMIC工藝工藝 p EDAEDA技術(shù)技術(shù)p MMIC MMIC設(shè)計設(shè)計p MMIC MMIC測試與封裝測試與封裝電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義WhatWhyHowu微波微波單單片集成片集成電電路基本路基本概概念念p 概況電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義What?MMIC: Monolithic Microwave Intergrated CircuituMonolithic: 希臘語，希臘語，a sin

2、gle stone，定義了，定義了MMIC的外形；的外形； uMicrowave: 300MHz300GHz, 定義了工作頻率；定義了工作頻率；uIC ：表明：表明“stone” 是由有源器件、無源元件和所有連接組是由有源器件、無源元件和所有連接組成的完整系統(tǒng)，不包含單個（獨立）的有源器件，定義了成的完整系統(tǒng)，不包含單個（獨立）的有源器件，定義了 “stone” 的材質(zhì)，即半導(dǎo)體。的材質(zhì)，即半導(dǎo)體。定義：定義： 利用半導(dǎo)體批生產(chǎn)技術(shù)，將微波電路中所有的有源器件和無利用半導(dǎo)體批生產(chǎn)技術(shù)，將微波電路中所有的有源器件和無源元件都制作在一塊半導(dǎo)體襯底上的電路。源元件都制作在一塊半導(dǎo)體襯底上的電路。u微

3、波微波單單片集成片集成電電路基本路基本概概念念電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義u優(yōu)點 u成本低u可靠性高u體積小u重量輕u工作頻帶更寬Why?u微波微波單單片集成片集成電電路基本路基本概概念念電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義典型應(yīng)用-RADAR、智能武器u微波微波單單片集成片集成電電路基本路基本概概念念電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料& & &低損耗介質(zhì)低損耗介質(zhì)計算機輔助設(shè)計算機輔助設(shè)計（計（CADCAD）先進的半導(dǎo)體先進的半導(dǎo)體制造技術(shù)制造技術(shù)ProcessDesign MethodHow?u微波微波單單片集成片集成電電路

4、基本路基本概概念念電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 有源器件有源器件晶體管晶體管 無源元件無源元件電容電容電感電感電阻電阻通孔通孔p 元部件技術(shù) UMS PH25 Design Kit in ADS電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義u 無源元件 MMIC 中的無源元件電感電容電阻引線PAD(GSG)輸入/輸出PAD通孔電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)分類 二極管（肖特基勢壘和結(jié)型二極管）二極管（肖特基勢壘和結(jié)型二極管） 雙極型晶體管雙極型晶體管( (BJT，HBT) ) 場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)晶體管（FET） JFET MESFET HEMT, PHEMT

5、, MHEMT MOSFET, CMOSFET IGFET MISHEMT， MOSHEMT 按材料分類按材料分類Si, SiGe, GaAs, InP, SiC, GaN, Grapheneu 有源器件HEMTMOSFETMESFET電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義幾種半導(dǎo)體關(guān)鍵參數(shù)Si SiGaAsGaAsGaNGaN4H-SiC4H-SiC 石墨烯石墨烯禁帶寬度禁帶寬度 eVeV1.11.11.41.43.23.23.23.200.2500.25擊穿場強擊穿場強MV/cmMV/cm0.60.60.60.63.53.53.53.5UnkownUnkown熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率WW/( /(c

6、mk)cmk)1.51.50.50.51.31.34.94.930503050飽和速度飽和速度 10107 7cm/scm/s1 11.2(2.1)1.2(2.1)2.5(2.7)2.5(2.7)1.91.933電子遷移率電子遷移率 cmcm2 2/Vs/Vs1500150085008500(1000)(1000)900900(2000)(2000)7007006000060000Max.Max.介電常數(shù)介電常數(shù)11.411.412.812.89.89.89.79.7UnkownUnkown工作溫度工作溫度 o oC C175175175175600600650650UnkownUnkown抗

7、輻照能力抗輻照能力 radrad10104 410106 61010101010109 9UnkownUnkown電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義晶體管的常用范圍2006年年Steve Marsh practical MMIC Design電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義毫米波毫米波MMICSi/Ge 基基MMIC1.SiGe HBT發(fā)展發(fā)展, 形成形成 SiGe BiCMOS工藝工藝;2.Si CMOS 成本低、功耗低可與基帶工藝兼容；成本低、功耗低可與基帶工藝兼容；3.工藝特征尺寸從工藝特征尺寸從130nm到到22nm。晶體管的常用范圍電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講

8、義p MMIC 工藝Step1:有源有源層層外延外延Step2:歐歐姆接姆接觸觸以以GaAs PHEMTGaAs PHEMT工藝為例工藝為例電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Step3:硼離子注入硼離子注入p MMIC 工藝電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Step4:制作制作柵電極柵電極p MMIC 工藝電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Step5:第一第一層層金金屬屬p MMIC 工藝電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Step6:介介質(zhì)層質(zhì)層p MMIC 工藝電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Step7:第二第二層層金金屬屬p MMIC 工藝電子科技大學(xué)電子工

9、程學(xué)院微波集成電路講義Step8:通孔制作通孔制作p MMIC 工藝電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Step9:劃劃片道制作片道制作p MMIC 工藝電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義p EDA技術(shù)為了設(shè)計為了設(shè)計MMICMMIC電路，設(shè)計者必須根據(jù)指標尋求電路電路，設(shè)計者必須根據(jù)指標尋求電路拓撲結(jié)構(gòu)，然后通過拓撲結(jié)構(gòu)，然后通過CADCAD技術(shù)技術(shù)MMICMMIC電路進行準確的電路進行準確的預(yù)測（仿真）。預(yù)測（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電路中的元部件通過各自模電路中的元部件通過各自模型連接起來，然后通過微波理論對整個電路進行型連接起來，然后通過微波理論對整個電路進行時域或者頻域的仿真。時域或者頻域的仿真。電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義S 參數(shù)定義11122122 SSSSS211110abSa111220abSa222110abSa122220abSap EDA技術(shù)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義p 無源元件模型 建模方法和技術(shù)建模方法和技術(shù)等效電路模型實際測試的S參數(shù)物理模型理論近似公式嚴

11、格理論公式等效電路拓撲VNARLC嚴格理論公式或者自定義函數(shù)電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義傳輸線電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義電感電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義螺旋電感參數(shù)的計算螺旋電感參數(shù)的計算)exp(1 twlRser電感：)32(ln2ltwtwllLs電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義電感模型的驗證電感模型的驗證n=9n=9L=166L=166 mmw=20w=20 mms=10s=10 mm)2/()/1 (11fYimagL)/1 (/ )/1 (1111YrealYimagQ 電感電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義HFSS中的電感建模中

12、的電感建模電感電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義電容電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義電容tWLC2012dCGtan12)/exp(1 (2211tWLRRMIM MIM 電容模型電容模型cLZLL022114545. 0022115 . 0cZLCCeff電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義電容模型驗證電容模型驗證 m2Frequency (GHz)0510152025Imag(Y11)-3-2-1012MeasuredOur ModelEM Simulation電容電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義電阻電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 通孔 空氣橋其它元件電

13、子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義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）能夠真實反映器件工作時的物理特性；）能夠真實反映器件工作時的物理特性； 2 2）足夠的精度，在很寬的頻帶內(nèi)仍能保證足夠的精度；）足夠的精度，在很寬的頻帶內(nèi)仍能保證足夠的精度； 3 3）在保證精度的前提下，模型簡單；）在保證精度的前提下，模型簡單； 4 4）容易確定模型有關(guān)參量。）容易確定模型有關(guān)參量。 5 5）能夠準確預(yù)測器件工作時的線性和非線性特性。）能夠準確預(yù)測器件工作時的線性和非線性特性。 電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義建模方法概述電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集

14、成電路講義建模方法電路軟件網(wǎng)絡(luò)分析儀(S參數(shù) )I-V測試儀(I-V特性)建模軟件(模型參數(shù))電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義代表性器件代表性器件模型模型第一代半導(dǎo)體第一代半導(dǎo)體Si CMOS，SiGe HBT,SiGe BiCMOSBSIM4，VBIC第二代半導(dǎo)體第二代半導(dǎo)體GaAs MESFETGaAs pHEMT,InP pHEMT，Curtice、TOM、Martaka、EEHEMT第三代半導(dǎo)體第三代半導(dǎo)體SiC MESFET，GaN異質(zhì)結(jié)器件異質(zhì)結(jié)器件HEMTModified models典型微波半導(dǎo)體器件及其模型典型微波半導(dǎo)體器件及其模型模型電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成

15、電路講義模型庫的建立和使用模型庫的建立和使用模型電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義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模型電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義MMIC 工藝線電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義MMICMMIC電路晶圓代工廠電路晶圓代工廠: :TriquentWINUMSOMMIC TriquentWINUMSOMMIC Northrop Grumman RaytheonHRL LabNorthrop Grumman RaytheonHRL LabAgilentskyworksM/A-COMRFMDEudynaAgilentskyworksM/A-COMRFMDEudyna成本、頻率、成本、頻率、功率密度功率密度MMIC 工藝線電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院

17、微波集成電路講義p MMIC 設(shè)計 Ka 波段四次諧波混頻器波段四次諧波混頻器MMICWhat？Why？How？電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 What? 毫米波混頻器是接收毫米波混頻器是接收/ /發(fā)射發(fā)射機系統(tǒng)中一個必不可少的部機系統(tǒng)中一個必不可少的部件。件。 主要技術(shù)參數(shù)：主要技術(shù)參數(shù)：RFRF和和IFIF頻率頻率、CLCL、IRRIRR等。等。p MMIC 設(shè)計電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義fRFfLOfIMfIFfIFfIFfRFfLOfIFfRF - fLO = fLO - fIM = fIF Why ?4th 諧波可降低源頻率的要求。p MMIC 設(shè)計電子科技大

18、學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 How?1. 1. 指標：指標：RF: 3438GHzRF: 3438GHz；IF: 03GHzIF: 03GHz變頻損耗變頻損耗(CL)(CL)：20dB20dB:20dB2. 2. 綜述：綜述： 了解行業(yè)內(nèi)制作了解行業(yè)內(nèi)制作“KaKa頻段四次諧波混頻器頻段四次諧波混頻器”的方法及的方法及其優(yōu)缺點其優(yōu)缺點”，為制定方案做準備。，為制定方案做準備。3. 3.方案；方案；4. 4.設(shè)計；設(shè)計；5. 5.實驗驗證實驗驗證。p MMIC 設(shè)計電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義總體方案優(yōu)點：1. 變頻損耗低；2. 結(jié)構(gòu)簡單；缺點：隔離度中等電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院

19、微波集成電路講義工藝線選取設(shè)計軟件選擇：設(shè)計軟件選擇：Agilent ADSAgilent ADS電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義設(shè)計內(nèi)容1-同相功分器電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義設(shè)計內(nèi)容2-90度移相器電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義設(shè)計內(nèi)容3-單平衡4次諧波混頻器步驟1：原理圖仿真電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義步驟2：2.5維Momentum 仿真電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義步驟3：原理圖和場共仿真電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義優(yōu)化和布版布版布版電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義仿真結(jié)果電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義仿真結(jié)果電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義實驗驗證電子科技大