硅锗技术进军手机功率放大器应用
2014-10-17 15:49:45 来源：电子工程专辑网 浏览次数：0
硅锗(SiGe)技术已经从一种富有潜力的技术发展成为目前和新一代移动设备的先进解决方案，广泛应用于手机、无线局域网(WLAN)和蓝牙等产品。在无线通信应用中，这种技术用于下变频器、低噪声放大器、前置放大器和 WLAN 功率放大器。而今，SiGe 技术已经应用于CDMA和GSM手机中的高功率放大器产品。由于这种半导体可以集成更多电路，它将在未来功率放大器与无线射频 (RF) 电路的集成方面发挥重要作用。
SiGe技术的优势
降低手机设计成本的两大主要因素是提高集成度，以及使用如SiGe等易于集成的低成本技术。SiGe既拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势，又具备第3到第5类半导体(如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP))在速度方面的优点。只要增加金属和介质叠层来降低寄生电容和电感，就可以采用SiGe半导体技术集成高质量无源部件。此外，通过控制锗掺杂还可设计器件随温度的行为变化。SiGe BiCMOS 工艺技术几乎与硅半导体超大规模集成电路(VLSI)行业中的所有新技术兼容，包括绝缘体硅(SOI)技术和沟道隔离技术。
实验证明，SiGe 器件的工作频率可高达 350 GHz,而普通硅芯片的工作频率只能达到几个 GHz，而且其电流速度为普通硅半导体的2到4倍。此外，SiGe器件还在噪声、功效、散热性能方面优于第3至第5类双极晶体管。事实上，硅基片的热导率是GaAs的3倍。
SiGe 的种种优势使其能在 WLAN、有线电视电话和光通信应用中实现低成本、高性能产品。随着击穿电压和高性能无源部件集成领域的技术发展，SiGe 正逐渐占据传统的 GaAs 领地，即手机功率放大器应用的领域。
击穿电压
手机功率放大器必须能在高压下应对10:1的电压驻波比(VSWR)，并能发送 +28dBm(用于CDMA手机)到 +35dBm(用于GSM手机)的信号。由于 GaAs 半导体具有较高的击穿电压，因此传统的功率放大器一直采用 GaAs 技术。然而 GaAs 这一优势很有限，因为这种半导体的成本高，又难以与其它无线电路相集成。这种缺陷在需要多个功率放大器的多模手机上尤其明显；而且由于还没有低成本的硅半导体工艺可以实现这类集成，手机的用材将会增加。
为了制造出满足严格的手机技术要求的 SiGe 功率放大器，加拿大 SiGe 半导体公司采用fT为 30GHz 的主流 SiGe 工艺，与 InGaP使用的主流工艺相类似。选择这种工艺，主要着眼于手机应用环境下功率放大器的击穿电压、线性性能、效率以及集成方面的优势。
为了确保高功率下的可靠性， SiGe 技术的 +5.5VDC 击穿电压必须获得改善。SiGe 半导体公司的设计人员开发出专有的电路、工艺技术和晶体管。利用这些开发成果就可以生产出高功率的功率放大器，其击穿电压能够在整个工作循环中，以及在满功率和 +5V(当用于CDMA手机)或 +4.5V(当用于GSM手机)电源电压下，可靠地应对10:1电压驻波比。
低击穿电压和随之引起的可靠性问题是 RF CMOS无法实现体积小、占位少、成本低和功效高射频功率放大器的原因所在(参见表 1)。例如，为了提高工作效率，RF CMOS 芯片必须大幅度提高电流强度，因此需要更大的晶体管，这意味着芯片的尺寸会变大。此外，晶体管增大后会使器件的功效降低。这些权衡因素使 RF CMOS 技术在手机的高效功率放大器领域上很不称职。
手机应用
由于技术的进步，SiGe现已具有较高的击穿电压，足以达到GSM-EDGE/CDMA以及最新 WLAN(包括802.11g标准的WLAN)应用所要求的功率放大器效率和线性度指标。
因此，在设计电池供电设备时，设计人员可以充分利用 SiGe 技术在成本、集成度、噪声和高频特性方面的优势。而且，在数字电路需要与模拟电路接口时，可采用 SiGe BiCMOS 技术，因为其电压余量和噪声性能均符合要求(RF CMOS中的电压会逐渐递减，这将会减弱数字电路与具有高动态电压范围的模拟输入的接口能力)。
与用于手机功率放大器的第3到第5类半导体相比，SiGe 的主要优势体现在成本上。SiGe 的主流工艺采用200毫米(8英寸)晶圆，并正在向 300 毫米晶圆目标发展；但 GaAs 却是使用 4 到 6 英寸晶圆制造的，由于晶圆尺寸较小，在良率和工艺成本方面不利。
采用 SiGe 的另一个主要优势是高集成度，通过使用SiGe，设计人员可在功率放大器周围集成更多的控制电路。这样，最终的器件就比第3到第 5类半导体器件更加节省板卡空间，因为后者需要功率放大器芯片再加一块 CMOS 控制芯片，而SiGe却能将这两项功能集成到一块芯片中，并具有集成更多无线功能的潜力。
在不久将来，设计人员很可能需要将 RF 电路集成到 CMOS 电路或功率放大器芯片中。采用 SiGe技术，设计人员就可以将功率放大器和 RF 电路集成在一起，却不会影响功率放大器的效率，因而不会缩短手机电池的寿命。这一点很重要，因为集成 RF 电路应该比将所有无线电路(包括功率放大器部分)都集成到 CMOS 电路中尺寸更小，而成本效益更高。
（编辑：刘麦）