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SiGe和GaAs工藝對比

冬至子 ? 來源:芯片設計之路 ? 作者:Alex Hwan XU ? 2023-07-11 10:42 ? 次閱讀

GaAs工藝中也可以像傳統的Si工藝一樣集成無源和有源器件,但GaAs在某些方面會比Si工藝有優勢,尤其是高頻應用。

  • 更高的電子遷移率意味著可以支持更高的工作頻率;
  • 未摻雜的GaAs具有半絕緣特性,意味著無源器件有更高的Q值,器件間的隔離度也天然更高;
  • 絕大多數GaAs都支持通孔接地,這有利于RF應用中減小接地電感;
  • 由于襯底摻雜,SiGe工藝包含更多的高損耗無源器件,例如螺旋電感和電容。同時無源器件與有耗襯底之間的電容耦合也會導致電路性能惡化;
  • 此外,SiGe工藝的金屬互聯通常是鋁(Al),而GaAs則幾乎只有金(Au),鋁的電導率比金低,因此無源損耗更高,故GaAs的螺旋電感Q值比Si工藝高得多。
  • 從終端產品角度來看,這意味著SiGe芯片需要更多的片外元件,則電路板需要更多空間,故成本更高。
  • SiGe的異質結(HBT)工藝比GaAs的pHEMT或MESFET工藝的NFmin更高,這是由于 HBT的B-E結引入的散粒噪聲(shot noise),而pHEMT或MESFET則沒有。
  • 正常工作時,SiGe HBT的B-E結電流約為C-E電流的1/beta倍,這意味著B-E結的二極管是導通的,因此會產生更多的噪聲;而GaAs FET的低噪放應用中正常工作時的G-S偏置電壓通常是低于二極管的開啟電壓的。
  • 而且,SiGe HBT的NFmin會隨著C極電流增大而迅速增大,而GaAs的pHEMT或MESFET則在較寬電流范圍內NFmin都保持較低值,因此GaAs更容易在NF、OIP3、偏置電流之間保持平衡。
  • 通常SiGe HBT的線性度在1015mA偏置電流時最高,而GaAs FET則在26mA偏置電流時線性度最高(這是在假定3V供電晶體管尺寸相當時的典型值)。
  • 對于無線功放(PA)應用,理想的器件選擇是具有很高的線性度、低壓工作時有較高的效率、只需要簡單的偏置控制。此外,工藝必須具備足夠高的擊穿電壓才能容忍較大的電壓駐波比(VSWR),并能夠處理更高的熱功耗。通常熱功耗限制了給PA添加更多其他RF功能,因此PA的集成度最多做到中等水平。GaAs/AlGaAs HBT工藝具備以上特性,因此是相比于MESFET和SiGe的最佳工藝。
  • 盡管SiGe HBT在前端LNA應用中的確具備良好的NF和線性度,但它不具備PA應用中所需要的高耐壓特性。
  • 通常GaAs工藝的強項是基于集總元件、帶狀線或者共面波導設計的MMIC來集成各種RF功能,這使其成為微波多功能集成器件的首選。
  • Si工藝具備的優勢是可將雙極型模擬功能與超大規模CMOS相集成,因此為D/A轉換和混合信號應用提供機會。

下表概括了幾種不同工藝的優缺點:

圖片

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