微波集成电路学习资料4：微波单片集成电路

First GaAs MMIC reported in Electro nics Letters,1976
在7~12G Hz的微 波频段内， 实现了小 信号增益 放大器
4.1.2 微波单片集成电路发展动态
高速发展期(1977~1986)
1979年，美国电气、电子和电子工程协会IEEE,首届GaAs IC 学术会议； 1985年， Plessey Caswell，0.7微米栅长、2英寸 的MMIC process； 1985年，“能带工程”，HEMT LNA MMIC(1988)、HBT PA（1989）
第四章 微波单片集成电路
目录
4.1 概况 4.2 MMIC元部件技术 4.3 MMIC工艺 4.4 EDA技术 4.5 MMIC设计 4.6 MMIC测试与封装
4.1 概况
4.1.1 微波单片集成电路基本概念
What Why How
4.1.1 微波单片集成电路基本概念
What?
MMIC: Monolithic Microwave Intergrated Circuit
Monolithic: 希腊语，a single stone，定义了MMIC的外形； Microwave: 300MHz~300GHz, 定义了工作频率； IC ：表明“stone” 是由有源器件、无源元件和所有连接组成 的完整系统，不包含单个（独立）的有源器件，定义了 “stone” 的材质，即半导体。
4.1.1 微波单片集成电路基本概念
2 0 0 9 年
2 0 1 1 年
4.1.1 微波单片集成电路基本概念
How?
半导体材料& &低损耗介质
先进的半导体 制造技术
Process
计算机辅助设 计（CAD）
Design Method
4.1.2 微波单片集成电路发展动态
萌芽期(~1964)
1916年，Jan Czochralski，直拉法实现Si单晶生长； 1925年， Julius Edgar Lilienfeld，MESFET概念； 1947年， Shockley，Brattain&Bardeen，点触式晶体管； 1959年，TI 和Fairchild Semiconductor, 发明单片集成电路；
4.2 元部件技术
➢ 有源器件 ➢ 晶体管 ➢…
➢ 无源元件 ➢ 电容 ➢ 电感 ➢ 电阻 ➢ 通孔 ➢…
Open Topic 二极管是否属于有源器件？
UMS PH25 Design Kit in ADS
4.2.1 无源元件
• MMIC 中的无源元件
电感
电容
电阻
引线PAD(GSG)
输入/输出PAD
、InP PA(1990)；
4.1.2 微波单片集成电路发展动态
百花齐放期（1987~Now）
4.1.2 微波单片集成电路发展动态
MMIC发展趋势
1. 基片材料：质量、尺寸、新材料； 2. 工艺：稳定性、成品率、特征尺寸(纳米器件)； 3. 性能：工作频率、可靠性、输出功率、噪声系数、带
宽、体积等； 4. CAD：器件建模、电路拓扑、仿真技术等； 5. 集成度：SIP、SOC 6. 测试：精度、智能化、高频、多功能化； 7. 应用：从军用向民用扩散。
175
106
GaN 3.2 3.5
1.3 2.5(2.7)
• 按材料分类
Si, SiGe, GaAs, InP, SiC, GaN, CNT, Graphene… HEMT
晶体管SEM图片
4.2.3 半导体物理基础
1. 半导体：常温下电导率介于导体和绝缘体之间的材料。 半导体导电能力具有压敏、热敏及因掺杂而改变的特 性。
2. 半导体的分类： ➢ 元素半导体：Si, Ge等 ➢ 二元化合物半导体：GaAs, InP, SiC, GaN等 ➢ N（>3）元化和物半导体：InGaAs，AlGaN等
4.1.2 微波单片集成电路发展动态
破冰期(1965~1976)
1966年，US 政府，X波段 Si MMIC 开关，机载相控阵天线； 1966年， Jim Turner&C.A. Mead，第一个GaAs MESFET（VHF）； 1970年，微波GaAs 器件性能超越Si电路; 1976年，Pengelly&Turner，第一个GaAs 微波单片集成电路（MMIC）；
通孔
4.2.2 有源器件
• 按结构分类
• 二极管（肖特基势垒和结型二极管）
• 双极型晶体管(BJT，HBT) • 场效应晶体管（FET）
MESFET
• JFET
• MESFET
• HEMT, PHEMT, MHEMT • MOSFET, CMOSFET
MOSFET
• IGFET • MISHEMT， MOSHEMT
First monolithic integrated circui t, 1959
John Bardeen, Walter Brattain, William Schockley
First commerci al monolithic in tegrated circuit, Fairchild, 1961
定义： 利用半导体批生产技术，将微波电路中所有的有源器件和无源
元件都制作在一块半导体衬底上的电路。
4.1.1 微波单片集成电路基本概念
半导体材料?
4.1.1 微波单片集成电路基本概念
Why?
优点
成本低 可靠性高 体积小 重量轻 工作频带更宽
4.1.1 微波单片集成电路基本概念
典型应用-RADAR、智能武器
第一代：Si, Ge 第二代：GaAs, InP 第三代：SiC, GaN
导体、半导体和绝缘层的能带特征
导带
导体
价带
半导体
绝缘体
半导体的导电特性
传导电子
Eg
跃迁 空穴
❖导带底电子沿外加电场反方向漂移 ❖价带顶空穴沿外加电场方向的漂移
E
ve
e
je
h
vh jh
Je=nqve=nquE
元素周期表
几种半导体关键参数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
禁带宽度 eV 击穿场强MV/cm 热导率W/(cm·k) 饱和速度 107cm/s 电子迁移率 cm2/Vs
介电常数 工作温度 oC 抗辐照能力 rad
Si 1.1 0.6 1.5 1 1500
11.4 175 104
GaAs 1.4 0.6
0.5 1.2(2.1)
8500 (1000) 12.8