SiGe 為 3G無線通信提供技術支撐

SiGe雙極和 BiCMOS 工藝技術,在傳輸的兩端扮演了一個支撐角色。

第三代 (3 G) 無線通信正在快速地變成現實。3 G 得以成功實施，一個重要的原因是在傳輸的兩端扮演了支撐角色的鍺硅 (SiGe) 雙極和 BiCMOS 工藝技術。在手機中， SiGe 在更低的電壓下給射頻 (RF) 發(fā)射機和接收機帶來更快的速率, 在支持3 G 多媒體通信所必需的更高帶寬的同時，保持功耗降低?；疽矎腟iGe受益：高速的數據轉換器和運算放大器成功地用更寬的帶寬處理更多的通道。雖然 SiGe 的基本特性對兩種應用而言是相似的，但對應于每種應用背后的半導體工藝之間有差別。

圖1  SiGe 雙極晶體管增益－頻率曲線


圖2  SiGe 雙極晶體管fT與電流密度的關系


圖3  SiGe雙極晶體管I-V特性

速度和低功耗
雖然 SiGe技術在1990年代后期之前已經有了有限的進展，但是它開始大規(guī)模商業(yè)生產還是在引入新的、性能大大改善的SiGe淀積設備之后。在2000年前后，受到無線通信市場對速度和低功耗需求的刺激，許多的半導體制造業(yè)者已經開發(fā)或者正在開發(fā)新的SiGe工藝。今天， SiGe已經成為無線手機射頻部分的標準工藝，而且它在基站中的使用正在增加。
SiGe工藝涉及到對雙極晶體管的基區(qū)進行鍺摻雜,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間特別短。表征這些晶體管的速率的關鍵特性是轉移頻率(fT), 隨著頻率提高，晶體管在這一頻率點的增益減少到1。就實際的應用而言， SiGe器件通常工作在比fT低得多的速率上, 在這個頻率區(qū)域增益不是常數，如圖 1 所示。因此假設下面晶體管的fT是45GHz，器件可能工作在2~5GHz，這對支持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，這對于延長電池的使用壽命是很關鍵的。
一個相關的趨勢是較高fT的晶體管可以用比較低的電壓工藝來實現， 這是因為有使用較薄基區(qū)的能力。結果，SiGe 射頻元件在電池電壓下能擠出較高的速率。在一個無線手機中無需為射頻部分引入一個額外的電源，從而節(jié)省了材料花費、電路板面積，降低了功耗。
SiGe器件的寬動態(tài)范圍使得它有可能在單級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。
今天大多數的SiGe工藝開發(fā)旨在推動 fT 超過100GHz器件的生產，更高頻率的器件尚在實驗室階段。由于可移動的、由電池供電的手機的功耗受到限制，這一個趨勢就很有意義。無線產品的主要半導體供應商正在努力使其產品設計跟上這些工藝開發(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也正在變成一個重要的射頻競爭者,特別是在最近130nm和90nm兩代工藝，當溝道長度小于 100nm時，就為將射頻、模擬和數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簿上停滯不前, 必須永遠向這個產品系列的較高的速率推進。

一個較好的互補工藝
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晶體管實現，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額定值勉強能達到GHz范圍。因為許多比較好的模擬功能設計需要同時使用NPN管和PNP管，能夠生產fT特性匹配良好的兩種類型雙極晶體管的互補 SiGe工藝 將是極有生命力的。
這樣的工藝目前已經存在。舉例來說， 用BiCom- III SiGe工藝制作的PNP管，其fT與 NPN管一樣達到令人驚訝的20GHz。 對于這些模擬應用，工藝上為了獲得高的fT，使用較高的工作電壓(這里是5V)，這對于這些功能是重要的。即使如此， NPN和PNP的 20GHz的fT相對于非 SiGe互補雙極晶體管工藝仍然表現出3倍的速度優(yōu)勢；而且因為工藝被設計為在 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中那么重要，因此互補SiGe工藝就在這些系統(tǒng)中獲得回報。即使許多模擬功能被設計為只使用 NPN晶體管，良好匹配的 NPN和PNP管的存在使得基站中信號波形調制所需的高速線性運算放大器的構建更有效。 運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?；パa 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到更高的精度的能力。
利用這些特點和工藝固有的速度優(yōu)勢，許多無線系統(tǒng)將能夠用互補SiGe工藝制作的AB類運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，為設計和制造提供了更大的容限。
除了互補雙極晶體管，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多晶硅電阻，使這個工藝能用于制作多種混合信號產品。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鏈可以獲得極好的性能。使用具有如此高性能的ADC和運算放大器，基站開發(fā)者就能在滿足3G通信容量和帶寬需求的同時，保持模擬信號通道體積、成本和功耗為最小。

新的通信利益
在短時間內， SiGe 技術已經發(fā)展成熟到這樣一個程度：正在兩個不同的方向進行研究。一方面，研究重點放在具有較高 fT的 NPN管的工藝正在降低射頻電壓和功耗，以節(jié)省電池在手機中的空間；另一方面，互補工藝尋求通過犧牲一些fT速率提高線性度來達到NPN與PNP管之間的平衡，從而為用于基站的運算放大器和數據轉換器提供最優(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，以支持多種多樣混合信號產品。 經過兩個方向的研發(fā)， SiGe已經成為3G無線通信成功背后的一種重要技術，并間接地支持3G未來將會帶來的許多好處。