第一章140421課件

1、微波集成電路電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義總總 學(xué)學(xué) 時：時：32學(xué)時學(xué)時 開課時間：第開課時間：第916周周主講教師：徐躍杭主講教師：徐躍杭電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義先修課程先修課程 微波技術(shù)基礎(chǔ)微波技術(shù)基礎(chǔ) 電磁場與電磁波電磁場與電磁波 或或電磁場理論電磁場理論課程內(nèi)容課程內(nèi)容 講述微波集成電路的基本概念，電路元件之間講述微波集成電路的基本概念，電路元件之間的集成技術(shù)、電路設(shè)計方法和工藝實現(xiàn)。的集成技術(shù)、電路設(shè)計方法和工藝實現(xiàn)。課程簡介電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Review通信方式通信方式 ： 有線通信有線通信 電報（電報（1837 Morse）、電話

2、（）、電話（1876 Bell）、光纖）、光纖（1966，高錕，高錕，2009年諾貝爾物理學(xué)獎）年諾貝爾物理學(xué)獎） 無線通信無線通信 視距視距 聲波聲波 電磁波電磁波電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 電磁波（微波）無線通信電磁波（微波）無線通信Review1864 Maxwell1888 Hertz1896 Marconi電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義移動通信移動通信Review“鋪路爪鋪路爪”遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)，遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)，有效偵測距離超過有效偵測距離超過30003000公里公里衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信應(yīng)用：移動通信、同步衛(wèi)星通信、低軌道衛(wèi)星、互聯(lián)應(yīng)用：移動通信、同步衛(wèi)星通信、

3、低軌道衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頻率：頻率：MHz、GHz、THz電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Review電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Review電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義Review無線通信系統(tǒng)組成：無線通信系統(tǒng)組成：電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義無線通信系統(tǒng)射頻前端：無線通信系統(tǒng)射頻前端：Review電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義目錄目錄第一章緒論第一章緒論第二章微波傳輸線第二章微波傳輸線第三章微波混合集成電路（第三章微波混合集成電路（HMICHMIC）第四章微波單片集成電路（第四章微波單片集成電路（MMICMMIC）第五章微波多功能組件（第五

4、章微波多功能組件（MCMMCM）電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義第一章 緒論1.1 1.1 集成電路的概念及分類集成電路的概念及分類1.2 1.2 微波集成電路概念微波集成電路概念1.31.3本課程的內(nèi)容和特色本課程的內(nèi)容和特色電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1.1 集成電路的概念及分類集成電路（集成電路（ICIC）概念：）概念： 為了達(dá)到在成本、尺寸、重量及可靠性等方面為了達(dá)到在成本、尺寸、重量及可靠性等方面優(yōu)于用電子管與波導(dǎo)同軸線搭建的立體電路的目的優(yōu)于用電子管與波導(dǎo)同軸線搭建的立體電路的目的，將所需的全部電路元件制作在，將所需的全部電路元件制作在一塊半導(dǎo)體晶片一塊半導(dǎo)體晶

5、片或或介質(zhì)基片上介質(zhì)基片上，構(gòu)成，構(gòu)成具有獨立功能的電路單元具有獨立功能的電路單元。Intel P4 Intel P4 微處理器微處理器頻譜儀頻譜儀電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1.1 集成電路的概念及分類1947年年世界集成電路發(fā)展：世界集成電路發(fā)展：1956 NOBLE 1956 NOBLE PrizePrize電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義 1925年，年， Julius Edgar Lilienfeld US 1745175Method and apparatus for controlling electric current first filed in Can

6、ada on 22.10.1925, describing a device similar to a MESFET US 1900018US 1900018Device for controlling electric current filed on 28.03.1928, a thin filmMOSFET1.1 集成電路的概念及分類A Very Early Conception of a Solid State Device!A Very Early Conception of a Solid State Device!電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1.1 集成電路的概念及分

7、類電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1960 - First MOSFET fabricated Kahng at Bell Labs fabricates the first MOSFET1963 - CMOS invented Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor, On June 18, 1963 Wanlass applied for a patent. On December 5th 1967 Wanlass was issued U.S. Patent # 3,356,858 for Low Stand-By Power Compl

8、ementary Field Effect Circuitry. 1.1 集成電路的概念及分類電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1.1 集成電路的概念及分類u1959年，年，TI 和和Fairchild Semiconductor, 發(fā)發(fā)明明單單片集成片集成電電路；路；First monolithic integrated circuit, 1959First commercial monolithic integrated circuit, Fairchild, 1961電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1.1 集成電路的概念及分類電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1.1

9、集成電路的概念及分類u工藝工藝 高梯度摻雜的實現(xiàn)高梯度摻雜的實現(xiàn)u柵氧化層的減薄柵氧化層的減薄 介質(zhì)擊穿，量子電容效應(yīng)介質(zhì)擊穿，量子電容效應(yīng)u量子效應(yīng)量子效應(yīng) 閾值電壓變化，量子隧穿閾值電壓變化，量子隧穿u遷移率退化遷移率退化 表面散射，速度飽和表面散射，速度飽和u雜質(zhì)隨機(jī)分布雜質(zhì)隨機(jī)分布 閾值電壓隨機(jī)起伏閾值電壓隨機(jī)起伏u源漏寄生參數(shù)影響源漏寄生參數(shù)影響電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義集成電路的分類集成電路的分類（1 1）按電路結(jié)構(gòu)分類）按電路結(jié)構(gòu)分類單片電路：單片電路：將有源和無源電路元件集成在一片半導(dǎo)體襯底上將有源和無源電路元件集成在一片半導(dǎo)體襯底上，形成完整電路功能的集成電路。

10、，形成完整電路功能的集成電路。薄膜或厚膜電路薄膜或厚膜電路：在絕緣襯底上淀積電阻或?qū)щ娔?，并在襯：在絕緣襯底上淀積電阻或?qū)щ娔ぃ⒃谝r底上產(chǎn)生一定圖形構(gòu)成完整功能的電路網(wǎng)絡(luò)。底上產(chǎn)生一定圖形構(gòu)成完整功能的電路網(wǎng)絡(luò)。混合電路混合電路：前兩種電路的自然擴(kuò)充，包含有源和無源器件及：前兩種電路的自然擴(kuò)充，包含有源和無源器件及單片集成電路，在同一絕緣襯底上組合并互聯(lián)而成的具有完整單片集成電路，在同一絕緣襯底上組合并互聯(lián)而成的具有完整功能的電路或系統(tǒng)。功能的電路或系統(tǒng)。1.1 集成電路的概念及分類電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1.1 集成電路的概念及分類微波集成電路按結(jié)構(gòu)分微波集成電路按結(jié)構(gòu)分電

11、子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義（2 2）按功能分類）按功能分類數(shù)字電路：數(shù)字電路：用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算的電路。算的電路。線性集成電路：線性集成電路：線性集成電路是以放大器為基礎(chǔ)的一種集成線性集成電路是以放大器為基礎(chǔ)的一種集成電路，主要包括放大器，穩(wěn)壓器，乘法器，調(diào)制器等。電路，主要包括放大器，穩(wěn)壓器，乘法器，調(diào)制器等。微波集成電路：微波集成電路：微波集成電路指由微波集成傳輸線和微波固微波集成電路指由微波集成傳輸線和微波固體器件構(gòu)成，完成一定微波電路或系統(tǒng)功能的集成電路。體器件構(gòu)成，完成一定微波電路或系統(tǒng)功能的集成電路。1

12、.1 集成電路的概念及分類電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義（3 3）按規(guī)模大小分類）按規(guī)模大小分類分類的依據(jù)是一片集成電路芯片上包含的邏輯門個數(shù)或元分類的依據(jù)是一片集成電路芯片上包含的邏輯門個數(shù)或元件個數(shù)件個數(shù): :小規(guī)模集成電路（小規(guī)模集成電路（SSISSI） 邏輯門數(shù)小于邏輯門數(shù)小于10 10 門門( (或含元件數(shù)小于或含元件數(shù)小于100100個個) )中規(guī)模集成電路（中規(guī)模集成電路（MSIMSI） 邏輯門數(shù)為邏輯門數(shù)為1010門門9999門門( (或含元件數(shù)或含元件數(shù)100100個個999999個個) )大規(guī)模集成電路（大規(guī)模集成電路（LSILSI） 邏輯門數(shù)為邏輯門數(shù)為1001

13、00門門99999999門（或含元件數(shù)門（或含元件數(shù)10001000個個9999999999個個) )1.1 集成電路的概念及分類電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義（4）按集成方式分類）按集成方式分類微波混合集成電路微波混合集成電路（HMIC: Hybrid Microwave Integrated Circuits）微波單片集成電路微波單片集成電路（MMIC: Monolithic Microwave Integrated Circuits）微波多芯片組件微波多芯片組件（MCM：Multi-chip Module）微波在片系統(tǒng)微波在片系統(tǒng)（SOC: System on Chip）1.1

14、 集成電路的概念及分類電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微波集成電路發(fā)展微波集成電路發(fā)展：1.2 微波集成電路波導(dǎo)立體電路平面混合集成電路MMICMCMSOC第一代第二代第三代第四代電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1.2.1微波混合集成電路微波混合集成電路定義：微波混合集成電路定義：把分布參數(shù)平面?zhèn)鬏斁€、封裝式晶體管或無封裝管芯、有獨把分布參數(shù)平面?zhèn)鬏斁€、封裝式晶體管或無封裝管芯、有獨立功能的半導(dǎo)體芯片、片式或小型分離元件等組合設(shè)計成立功能的半導(dǎo)體芯片、片式或小型分離元件等組合設(shè)計成具有完整功能的微波集成電路。具有完整功能的微波集成電路。微波混合集成電路微波混合集成電路: : 無

15、源電路無源電路( (無源元件無源元件) )由分布參數(shù)平面?zhèn)鬏斁€和集中參數(shù)元件完成由分布參數(shù)平面?zhèn)鬏斁€和集中參數(shù)元件完成; ; 有源器件有源器件通過焊接或金絲鍵合等工藝與之配合連接而成。通過焊接或金絲鍵合等工藝與之配合連接而成。電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微波混合集成電路特點：微波混合集成電路特點：(1) (1) 復(fù)雜的微波電路很容易而且很精確地進(jìn)行復(fù)制。復(fù)雜的微波電路很容易而且很精確地進(jìn)行復(fù)制。(2) (2) 電路體積更小，重量更輕，更利于系統(tǒng)的微型化。電路體積更小，重量更輕，更利于系統(tǒng)的微型化。(3) (3) 電路的可靠性更高，性能更優(yōu)良。電路的可靠性更高，性能更優(yōu)良。(4) (

16、4) 便于和平面微帶線連接，便于調(diào)試達(dá)到最佳性能，也便于便于和平面微帶線連接，便于調(diào)試達(dá)到最佳性能，也便于維修。維修。1.2.1微波混合集成電路電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義HMICHMIC應(yīng)用的最大限制是高功率輸出能力應(yīng)用的最大限制是高功率輸出能力（1 1）微波固態(tài)器件功率輸出能力遠(yuǎn)小于）微波固態(tài)器件功率輸出能力遠(yuǎn)小于電真空器件電真空器件。（2 2）HMICHMIC由于體積減小，能量傳輸主要集中在較薄由于體積減小，能量傳輸主要集中在較薄的介質(zhì)基片內(nèi)，的介質(zhì)基片內(nèi)，介質(zhì)基片擊穿功率介質(zhì)基片擊穿功率限制了電路的最大限制了電路的最大功率容量。功率容量。1.2.1微波混合集成電路電子科技大

17、學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微波單片集成電路微波單片集成電路(MMIC)(MMIC)：把無源電路、無源器件、有源半導(dǎo)體器件都制作把無源電路、無源器件、有源半導(dǎo)體器件都制作在在同一半導(dǎo)體芯片上同一半導(dǎo)體芯片上，形成，形成完整的電路或系統(tǒng)功能完整的電路或系統(tǒng)功能的的微波集成電路。微波集成電路。MMICMMIC襯底材料特點：襯底材料特點： (1) (1) 有較高的電阻率，可以做微波傳輸線；有較高的電阻率，可以做微波傳輸線； (2) (2) 有較高的電子遷移率，可以做微波器件；有較高的電子遷移率，可以做微波器件； (3) (3) 性能穩(wěn)定。性能穩(wěn)定。1.2.2微波單片集成電路電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院

18、微波集成電路講義MMICMMIC的特點：的特點：(1) (1) 器件工作頻率提高，頻帶加寬，頻率高，多倍頻程電路器件工作頻率提高，頻帶加寬，頻率高，多倍頻程電路容易實現(xiàn)。容易實現(xiàn)。 (2) (2) 性能、可靠性均得到改善。性能、可靠性均得到改善。 (3) (3) 電路尺寸、重量遠(yuǎn)比電路尺寸、重量遠(yuǎn)比HMICHMIC小得多，適宜于航空、航天小得多，適宜于航空、航天應(yīng)用。應(yīng)用。 (4) (4) 制作重復(fù)性和一致性好，便于大批量生產(chǎn)，成本得到降制作重復(fù)性和一致性好，便于大批量生產(chǎn)，成本得到降低。低。1.2.2微波單片集成電路電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1.2.2微波單片集成電路u微波/毫

19、米波芯片所采用的工藝主要有： CMOS工藝a) Si CMOS：低功耗和高集成度；b) SiGe HBT：較好的線性度和更高的速度；c) SiGe 雙極互補金屬氧化半導(dǎo)體(BiCMOS)更是結(jié)合了CMOS和HBT的優(yōu)勢。 - 族化合物半導(dǎo)體工藝a) GaAs pHEMT/mHEMT 及其E/D 模工藝；b) InP HEMT 及其 E/D 模工藝。 GaN化合物半導(dǎo)體及其E/D模工藝 石墨烯工藝電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義1.2.3微波毫米波多芯片組件多芯片組件（多芯片組件（Mult-chip ModuleMult-chip Module，MCMMCM）：）：將多個裸芯片安裝在同一

20、塊多層高密度互聯(lián)的基板將多個裸芯片安裝在同一塊多層高密度互聯(lián)的基板上，并上，并封裝在同一外殼內(nèi)封裝在同一外殼內(nèi)，具有，具有一定部件或系統(tǒng)功能一定部件或系統(tǒng)功能的的高密度微電子組件。高密度微電子組件。MCMMCM是微波混合集成電路的小型化發(fā)展方向之一。是微波混合集成電路的小型化發(fā)展方向之一。單片微波集成電路的小型化發(fā)展方向？單片微波集成電路的小型化發(fā)展方向？電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波集成電路講義微波毫米波微波毫米波MCM MCM 的發(fā)展方向：的發(fā)展方向：(1) (1) 開發(fā)具有更加良好電器性能、機(jī)械性能、熱性能和化學(xué)開發(fā)具有更加良好電器性能、機(jī)械性能、熱性能和化學(xué)性能的性能的材料材料；(2) (2) 發(fā)展高成品率、高可靠性、高可修復(fù)性、高組裝密度和發(fā)展高成品率、高可靠性、高可修復(fù)性、高組裝密度和高散熱率的高散熱率的芯片鍵合技術(shù)芯片鍵合技術(shù)；