射频集成电路半导体器件技术 - 全文

　　近年来，无线通信市场的蓬勃发展，特别是移动电话、无线因特网接入业务的兴起使人们对无线通信技术提出了更高的要求。体积小、重量轻、低功耗和低成本是无线通信终端发展的方向，射频集成电路技术（RFIC）在其中扮演着关键角色。RFIC的出现和发展对半导体器件、射频电路分析方法，乃至接收机系统结构都提出了新的要求。

　　半导体器件技术

　　在RF领域中, 性能、工艺的要求要比数字集成电路本身复杂得多。其中，功耗、速度、成品率是最主要的参数。同时，RF IC还要考虑到噪声(宽带和窄带)、线性度、增益和功效。这样, 应用于RF IC中的优化器件一直在不断完善和发展。不同的RF功能部分将在不同的半导体器件工艺上实现。目前，RFIC中使用的半导体工艺主要有Si、SiGe、GaAs和InP。他们在无线通信中的主要应用范围如图1所示。

　　● 硅器件：硅集成电路计有硅双极晶体管(Si-Bipolar Transistor)、硅-互补式金氧半导体(Si-CMOS)、硅双极互补式金氧半导体(Bi-CMOS)或硅锗异质接面双极晶体管(SiGe HBT)。

　　目前通信的频率大抵在2 GHz以下，除功率放大器外，硅集成电路在射频/中频模块较占优势，硅工艺因具有大量的产能，可以由射频/中频/基频组成单芯片混合模式集成电路(single chip mixed mode IC)，并且可以单电源操作，在价格、积体化程度上远超过砷化镓器件，砷化镓与硅集成电路，因为材料特性的不同，设计的方法也大不相同，硅材料由于没有半绝缘基板(Semi-insulation substrate)，等于在一个高损耗的基板上做电路设计，再加上器件本身的增益较低，若要达到与砷化镓相当的高频电性，硅RFIC全系于晶体管微小化(如次微米RF CMOS)或材料结构的改善(如SiGe异质接面晶体管)，来提高器件的特征频率fT。也必须借助沟槽隔离(trench isolation)等工艺，提高电路间的隔离度与Q值，工艺繁复、光罩数众多，不良率与成本也大幅提高，高频模型也因为杂散效应明显，不易掌握。目前硅工艺已可胜任超过5 GHz以上的RFIC，但对具低噪声放大器、高功率放大器与开关器等射频前端仍有不足，故硅工艺的器件，将被定位于中频模块或低层(low tier)的射频模块。

　　需要特别指出的是，在无线收发器中，数字信号处理部分使用标准Si-CMOS工艺，通常占到芯片面积的75%以上,集成度及功耗等指标的要求使得他不可能用CMOS以外的其他工艺实现,所以只有实现CMOS集成射频前端,才能实现单片集成的收发器并最终实现单片集成的移动通信产品。目前随着CMOS工艺的发展,它的单位增益截止频率已经接近GaAs水平,同时出现了一些采用CMOS工艺实现的射频前端的单元电路及收发器。这也使得采用CMOS工艺实现移动通信产品的单芯片集成成为可能。此外，CMOS工艺与其它工艺相比，集成度更高，成本低，功耗低，使得对它成为RFIC发展的主流方向。

　　● 砷化镓器件：砷化镓器件在高频、高功率、高效率、低噪声指数的电气特性均远超过硅器件，空乏型砷化镓场效晶体管(MESFET)或高电子迁移率晶体管(HEMT/PHEMT)，在3 V电压操作下可以有80 %的功率增加效率(PAE: Power added efficiency)，非常适用于高层(high tier)的无线通信中长距离、长通信时间的需求，然而二者皆需要负电源，将增加产品使用的成本，HEMT器件繁复的长晶与闸级宽度的控制，也影响工艺之一致性及易产性。增进型(enhancement mode) E-mode MESFET/ HEMT，因为无需负电源，同时可维持其功率放大器之优良特性，惟其输出功率将被限制。异质双极晶体管(HBT)是另外一无需负电源的砷化镓器件，其功率密度(power density)、电流推动能力(current drive capability)与线性度(linearity)均超过FET，适合设计高功率、高效率、高线性度的微波放大器，HBT为最佳器件的选择。而HBT器件在相位噪声，高gm、高功率密度、崩溃电压与线性度上占优势，另外它可以单电源操作，因而简化电路设计及次系统实现的难度，十分适合于射频及中频收发模块的研制，特别是微波信号源与高线性放大器等电路。

 　　电路CAD技术

　　对集成电路设计来说，设计方法和高水平的计算机辅助设计工具是成功的关键。对于通常的VLSI，有包括从综合、模拟、版图设计、验证、测试生成等在内的一系列工具来支持整个设计过程。但对RFIC，目前尚不具备一整套完善的CAD工具，主要的前端设计工具是电路级的模拟或仿真。

　　●SPICE仿真的不足

　　通常的电路模拟使用的是以SPICE为代表的模拟技术，它支持多种仿真，见表1。但由于RFIC的特点，用这类电路模拟技术存在很多困难。

　　首先，RFIC的设计指标大多是电路处于稳态时的指标，如功率增益、交调与畸变等，用SPICE的时域模拟必须经过一个瞬态过程才能到达稳态，对有较长瞬态过程的电路，要耗费大量的计算。

　　其次RFIC通常存在两个或多个频率或变化速度相差悬殊的信号。典型的情况是混频器，载频与信号频率往往相差几个数量级。其它如PLL的捕捉过程，振荡器的起振过程等，用SPICE来模拟这些情况效率都很低，因模拟所需时间取决于最慢分量，而时间步长取决于最快分量。

　　另外RFIC中存在互连、封装等分布的寄生元件，SPICE也无法处理。这些元件准确的特性要由电磁场分析给出，一般适宜在频域中描述，不能直接用于时域中的分析。

　　最后，噪声是决定IC系统性能，如信噪比，误比特率的一个重要因素，但SPICE只能对线性放大器、且噪声源为平稳随机过程的情形作噪声分析，而对RFIC系统中的非线性电路，如混频器、振荡器，因噪声受到大信号的调制，统计特性不再是平稳的，且混频噪声与振荡器的相位噪声特性不同，不能用SPICE中线性电路的噪声分析方法。

　●RF电路仿真技术

　　由于上述原因，以SPICE为代表的传统电路模拟无法满足RFIC分析的需要。为此，在过去十几年中发展了专门针对射频与微波通信电路的模拟、仿真技术。

　　时域方法：时域仿真一般是在假设电路的稳态相应是周期的前提下求解电路时域微分方程组，即v(0)=v(T),其中，v是节点电压向量，T是周期，v(0)是节点电压零时刻的初始向量，v(T)是T时刻的节点电压向量，然后找到使方程有周期解的初始状态v(0)。对于激励信号是周期信号的电路，周期T是已知量，但对于振荡电路，它的周期一般是未知的，所以除了确定v(0)外，还要确定周期T。

　　解上述方程组最常用的方法是牛顿试射法。它的基本原理是：假设电路相应的周期T已知，在某个初始状态下，在周期T 内对电路做传统的电路瞬态分析，判断v(0)=v(T)是否满足，如不满足，令v(0)=v(T)，再做瞬态分析，如此迭代下去，直到找到满足v(0)=v(T)的初始状态。图2是进行了5次牛顿迭代的v(t)波形。

　　在上述过程中，要做大量的矩阵运算，因此这对电路的规模有限制，目前的仿真一般不超过300个节点。

　　试射法是时域中的方法，电路非线性的强弱或信号是否接近正弦不影响方程规模与内存量，迭代的收敛性取决于v(T)与v(0)之间关系非线性的程度，而不是电路本身的非线性，因此对一些强非线性电路也能收敛。它的缺点是较难处理分立元件。在时域中，要想准确地计算失真，需要选择合适地仿真允差和算法。

　　谐波平衡法：谐波平衡是一种在频域求电路稳态响应的方法。首先将信号表示成为傅立叶展开的形式，在节点处的各次谐波分量都列写KCL方程组，把时域中的微分方程转化为频域中的代数方程，然后用牛顿迭代求解傅立叶系数。需要特别注意的是由于非线性元件的特性表示是在时域中的，因此它们的计算要先在时域中进行，再使用傅立叶变换将它们变换到频域。而要计算时域的非线性电阻电流与非线性电容电荷，又要先用逆傅立叶变换将激励信号V（ω）转换到时域。

　　谐波平衡法实质上是频域中的非线性分析方法，适合于对非线性不强的电路做近似正弦的稳态分析，如放大器的畸变与交调分析。当电路的非线性较强时，就要取基波的很多次谐波分量来模拟失真的正弦信号，失真越大，取的谐波次数就越多，这样就会使方程规模增大成非线性时的另一困难是迭代时更难收敛。

　　结语

　　射频集成电路的发展方向是更高的频率应用范围和更宽的带宽，这在实现上需要半导体技术新工艺的不断发展，在设计中需要更加精确和可靠的CAD技术支持。