SiGe双极和BiCMOS工艺技术,在传输的两端扮演了一个支撑角色。第三代(3G)无线通信正在快速地变成现实。3G得以成功实施,一个重要的原因是在传输的两端扮演了支撑角色的锗硅(SiGe)双极和BiCMOS工艺技术。在手机中,SiGe在更低的电压下给射频(RF)发射机和接收机带来更快的速率,在支持3G多媒体通信所必需的更高带宽的同时,保持功耗降低。基站也从SiGe受益：高速的数据转换器和运算放大器成功地用更宽的带宽处理更多的通道。虽然SiGe的基
SiGe双极和 Bi
CMOS工艺技术,在传输的两端扮演了一个支撑角色。
第三代 (3 G) 无线通信正在快速地变成现实。3 G 得以成功实施,一个重要的原因是在传输的两端扮演了支撑角色的锗硅 (SiGe) 双极和 BiCMOS 工艺技术。在
手机中, SiGe 在更低的电压下给射频 (
RF) 发射机和接收机带来更快的速率, 在支持3 G 多媒体通信所必需的更高带宽的同时,保持功耗降低。基站也从SiGe受益：高速的数据转换器和运算放大器成功地用更宽的带宽处理更多的通道。虽然 SiGe 的基本特性对两种应用而言是相似的,但对应于每种应用背后的半导体工艺之间有差别。
图1 SiGe 双极晶体管增益－频率曲线
图2 SiGe 双极晶体管fT与电流密度的关系
图3 SiGe双极晶体管I-V特性速度和低功耗
虽然 SiGe技术在1990年代后期之前已经有了有限的进展,但是它开始大规模商业生产还是在引入新的、性能大大改善的SiGe淀积设备之后。在2000年前后,受到无线通信市场对速度和低功耗需求的刺激,许多的半导体制造业者已经开发或者正在开发新的SiGe工艺。今天, SiGe已经成为无线手机射频部分的标准工艺,而且它在基站中的使用正在增加。
SiGe工艺涉及到对双极晶体管的基区进行锗掺杂,这将大幅度地提高载流子迁移率,使得从发射极到集电极的渡越时间特别短。表征这些晶体管的速率的关键特性是转移频率(fT), 随着频率提高,晶体管在这一频率点的增益减少到1。就实际的应用而言, SiGe器件通常工作在比fT低得多的速率上, 在这个频率区域增益不是常数,如图 1 所示。因此假设下面晶体管的fT是45GHz,器件可能工作在2~5GHz,这对支持3G射频传输是足够的了。如图 2 所见,在较低的fT工作只需要较低的工作电流,也就是比较低的功耗,这对于延长
电池的使用寿命是很关键的。
一个相关的趋势是较高fT的晶体管可以用比较低的电压工艺来实现, 这是因为有使用较薄基区的能力。结果,SiGe 射频元件在电池电压下能挤出较高的速率。在一个无线手机中无需为射频部分引入一个额外的
电源,从而节省了材料花费、电路板面积,降低了功耗。
SiGe器件的宽动态范围使得它有可能在单级完成基带与射频前端之间的上变频和下变频,这也节省了芯片成本,降低了功耗。
今天大多数的SiGe工艺开发旨在推动 fT 超过
100GHz器件的生产,更高频率的器件尚在实验室阶段。由于可移动的、由电池供电的手机的功耗受到限制,这一个趋势就很有意义。无线产品的主要半导体供应商正在努力使其产品设计跟上这些工艺开发的步伐,以便利用这些工艺提供的低压特性。在这些较低的电压下,CMOS也正在变成一个重要的射频竞争者,特别是在最近130nm和90nm两代工艺,当沟道长度小于 100nm时,就为将射频、模拟和数字电路集成在单一芯片上提供了可能性。 因此, SiGe不能躺在自己的荣誉簿上停滞不前, 必须永远向这个产品
系列的较高的速率推进。
一个较好的互补工艺
尽管fT是这么重要,但增加fT只是故事的一部分,特别是对于模拟功能来说更是这样。最快速的 SiGe 工艺只用 NPN晶体管实现,在极高频它比
PNP管容易制造。在这些 NPN主宰的 SiG
