微波集成電路 課件 第六章 微波單片集成技術(shù)

第六章微波單片集成技術(shù)目錄概況MMIC元部件技術(shù)MMIC工藝

EDA技術(shù)MMIC設(shè)計(jì)MMIC測(cè)試與封裝WhatWhyHow微波單片集成電路基本概念概況What?MMIC:MonolithicMicrowaveIntergratedCircuitMonolithic:希臘語(yǔ)，asinglestone，定義了MMIC的外形；Microwave:300MHz~300GHz,定義了工作頻率；IC：表明“stone”是由有源器件、無(wú)源元件和所有連接組成的完整系統(tǒng)，不包含單個(gè)（獨(dú)立）的有源器件，定義了“stone”

的材質(zhì)，即半導(dǎo)體。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(wú)源元件都制作在一塊半導(dǎo)體襯底上的電路。微波單片集成電路基本概念優(yōu)點(diǎn)

成本低可靠性高體積小重量輕工作頻帶更寬批量生產(chǎn)不存在機(jī)械接頭等A（MMIC）~1/10A（HMIC）W（MMIC）~1/1000W（HMIC）

電路設(shè)計(jì)更靈活，減小了寄生參數(shù)Why?微波單片集成電路基本概念典型應(yīng)用-RADAR、智能武器微波單片集成電路基本概念半導(dǎo)體材料&&低損耗介質(zhì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)ProcessDesignMethodHow?微波單片集成電路基本概念有源器件晶體管…無(wú)源元件電容電感電阻通孔…元部件技術(shù)

UMSPH25DesignKitinADS無(wú)源元件MMIC中的無(wú)源元件電感電容電阻輸入輸出PAD

(GSG)引線PAD通孔按結(jié)構(gòu)分類(lèi)二極管（肖特基勢(shì)壘和結(jié)型二極管）雙極型晶體管(BJT，HBT)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）JFETMESFETHEMT,PHEMT,MHEMT(ModifiedHEMT)MOSFET,CMOSFET(ComplementaryMOSFET)IGFET(IsolatedGateFET)MISHEMT，MOSHEMT按材料分類(lèi)Si,SiGe,GaAs,InP,SiC,GaN,Graphene…有源器件HEMTMOSFETMESFET電子遷移率更高幾種半導(dǎo)體關(guān)鍵參數(shù)SiGaAsGaN4H-SiC石墨烯禁帶寬度

eV1.11.43.23.20~0.25擊穿場(chǎng)強(qiáng)MV/cm0.60.63.53.5Unkown熱導(dǎo)率W/(cm·k)1.50.51.34.930~50飽和速度

107cm/s11.2(2.1)2.5(2.7)1.9>3電子遷移率

cm2/Vs15008500(1000)900(2000)70060000Max.介電常數(shù)11.412.89.89.7Unkown工作溫度

oC175175600650Unkown抗輻照能力

rad1041061010109Unkown晶體管的常用范圍2006年SteveMarsh《practicalMMICDesign》毫米波MMIC——Si/Ge基MMIC1.SiGeHBT發(fā)展,形成SiGeBiCMOS工藝;2.SiCMOS成本低、功耗低可與基帶工藝兼容；3.工藝特征尺寸從130nm到22nm。晶體管的常用范圍MMIC工藝Step1:有源層外延Step2:歐姆接觸以GaAsPHEMT工藝為例Step3:硼離子注入MMIC工藝Step4:制作柵電極MMIC工藝Step5:第一層金屬M(fèi)MIC工藝Step6:介質(zhì)層MMIC工藝Step7:第二層金屬M(fèi)MIC工藝Step8:通孔制作MMIC工藝Step9:劃片道制作MMIC工藝EDA技術(shù)為了設(shè)計(jì)MMIC電路，設(shè)計(jì)者必須根據(jù)指標(biāo)尋求電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后通過(guò)CAD技術(shù)MMIC電路進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)（仿真）。目前主流仿真工具有AgilentADS,AnsoftDesigner,AWRMicrowaveOffice。仿真工具可以把MMIC電路中的元部件通過(guò)各自模型連接起來(lái)，然后通過(guò)微波理論對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行時(shí)域或者頻域的仿真。S參數(shù)定義EDA技術(shù)無(wú)源元件模型建模方法和技術(shù)等效電路模型實(shí)際測(cè)試的S參數(shù)物理模型理論近似公式嚴(yán)格理論公式等效電路拓?fù)銿NARLC嚴(yán)格理論公式或者自定義函數(shù)傳輸線電感

串聯(lián)電阻Rser的計(jì)算

串聯(lián)電感Lser的計(jì)算反饋電容Cf的計(jì)算襯底電容Csub的計(jì)算螺旋電感參數(shù)的計(jì)算趨膚效應(yīng)導(dǎo)致了串聯(lián)電阻強(qiáng)烈的頻率關(guān)系，一段微帶線的電阻可以由微帶線的公式計(jì)算得到。電感一個(gè)螺旋電感總的串聯(lián)電感量可以由自感和互感相加得到。其中，直流自感的計(jì)算公式如下：電感模型的驗(yàn)證n=9L=166μmw=20μms=10μm電感HFSS中的電感建模電感電容電容電容的計(jì)算可以由平行板電容器的計(jì)算公式得到，由電容介質(zhì)引入的損耗電導(dǎo)可以由下式得到，金屬的損耗電阻R11和R22

由金屬趨膚電阻的計(jì)算公式得到，由金屬導(dǎo)帶引入的電感的計(jì)算是建立在微帶線理論的基礎(chǔ)上的，C11和C22分別是上、下平行板對(duì)地電容，MIM電容模型電容模型驗(yàn)證

尺寸為200×484μm2電容的測(cè)量值與計(jì)算值的比較電容電阻通孔空氣橋其它元件有源器件模型有源器件建模概述模型要求:

1）能夠真實(shí)反映器件工作時(shí)的物理特性；

2）足夠的精度，在很寬的頻帶內(nèi)仍能保證足夠的精度；

3）在保證精度的前提下，模型簡(jiǎn)單；

4）容易確定模型有關(guān)參量。

5）能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件工作時(shí)的線性和非線性特性。建模方法概述方法種類(lèi)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)基于物理數(shù)值模型理論上準(zhǔn)確;適用于各種物理結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的MESFET；可以預(yù)研究器件。過(guò)分耗機(jī)時(shí)，在CAD應(yīng)用中正在完善；準(zhǔn)確度依賴(lài)模型，精度有所局限。解析模型非常適合器件設(shè)計(jì)，尤其是MMIC設(shè)計(jì)和特性模擬。適用CAD技術(shù)由于加工過(guò)程中不可預(yù)知因素（缺陷等），因此必須以測(cè)量的方法確定其元件值及特性；精度較差?；跍y(cè)量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)單，比較準(zhǔn)確，適用于CAD技術(shù)。應(yīng)用最為廣泛。必須制造出用于測(cè)試的器件為前提，不適合超前器件的研究。表格模型模型精確，易于建模，通用性好。測(cè)試數(shù)據(jù)多；會(huì)出現(xiàn)收斂、可微等問(wèn)題；模型精度依賴(lài)測(cè)試數(shù)據(jù)的精度；不能對(duì)預(yù)研。建模方法代表性器件模型第一代半導(dǎo)體SiCMOS，SiGeHBT,SiGeBiCMOSBSIM4，VBIC第二代半導(dǎo)體GaAsMESFETGaAspHEMT,InPpHEMT，Curtice、TOM、Martaka、EEHEMT第三代半導(dǎo)體SiCMESFET，GaN異質(zhì)結(jié)器件HEMTModifiedmodels典型微波半導(dǎo)體器件及其模型模型模型庫(kù)的建立和使用模型

CadenceLayout,LVSandDRCCheckCircuit-LevelSimulationADS

Circuit-LevelandEMSimulationLayout,DRCCheckAnsoftHFSS

EM-LevelSimulation

AWRMicrowaveOffice

Circuit-LevelandEMSimulationLayout,DRCCheck

IC-CAPModellingSoftware……Co-simulation模型MMIC工藝線MMIC電路晶圓代工廠:Triquent\WIN\UMS\OMMIC\NorthropGrumman\Raytheon\HRLLab\Agilent\skyworks\M/A-COM\RFMD\Eudyna成本、頻率、功率密度MMIC工藝線MMIC設(shè)計(jì)Ka波段四次諧波混頻器MMICWhat？Why？How？What?毫米波混頻器是接收/發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的部件。主要技術(shù)參數(shù)：RF和IF頻率、CL、IRR等。MMIC設(shè)計(jì)fRFfLOfIMfIFfIFfIFfRFfLOfIFfRF-fLO=

fLO-

fIM=

fIFWhy?4th

諧波可降低源頻率的要求。MMIC設(shè)計(jì)How?指標(biāo)：RF:34~38GHz；IF:0~3GHz變頻損耗(CL)：<20dB；鏡頻抑制度（IRR）:>20dB綜述：了解行業(yè)內(nèi)制作“Ka頻段四次諧波混頻器”的方法及其優(yōu)缺點(diǎn)”，為制定方案做準(zhǔn)備。3.方案；4.設(shè)計(jì)；5.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。MMIC設(shè)計(jì)總體方案優(yōu)點(diǎn)：1.變頻損耗低；2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：隔離度中等工藝線選取設(shè)計(jì)軟件選擇：AgilentADS設(shè)計(jì)內(nèi)容1-同相功分器設(shè)計(jì)內(nèi)容2-90度移相器設(shè)計(jì)內(nèi)容3-單平衡4次諧波混頻器步驟1：原理圖仿真步驟2：2.5維Momentum仿真步驟3：原理圖和場(chǎng)共仿真優(yōu)化和布版布版仿真結(jié)果仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證MMIC的測(cè)試MMIC的測(cè)試和封裝AgilentN5250C10MHz~110GHzAnritsuME7828A70KHz~110GHzR&SZVA110