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单片机的高速运行埃里希卡斯帕，迪特马尔基辛格，彼得如舍和罗伯特韦盖尔如今，以硅（Si）和硅锗（SiGe）技术为基础的单片毫米级集成电路可以用于毫米波频率范围内的遥感和通信系统。当今以先进的硅半导体技术为基础的国家完成了工作频率高达200 GHz的低成本的电路制作并打开了毫米波通信技术在消费应用和传感器应用的大门。硅高频半导体电子的关键部分是硅锗异质结双极晶体管（HBT）。在硅锗异质结双极晶体管中，基区是由锗硅层和两侧相邻硅层构成的。由于基区低带隙和高基区掺杂，实现了高的发射效率。这使得异质结双极晶体管可以设计成较小的基带宽和低的基带电阻串联1。由于硅基器件的低生产成本，因此硅锗异质结双极晶体管能够在硅基单片微波集成电路中获得突破，开启了毫米波消费应用市场2。本文回顾了硅锗技术的发展和突破。硅锗异质结双极晶体管传输频率ft和最高振荡频率在300GHz以上的fmax ，单片集成毫米波电路基于这些异质结双极晶体管已经发展若干代了3 -9。正如我们在下面的概述将要表明的，结合有源和无源器件平面结构，包括天线单元，可以用单芯片来实现毫米波的前端程序硅锗异质结双极晶体管历史在威廉肖克利的原始专利10中已经明确提到一个具有超过基极的拥有广泛能隙的发射极双极晶体管。然而Alfons Hhnlein 11第一次提出了硅锗异质结双极晶体管。1954年7月，赫伯特克勒默提交了一份文件，其中制定了宽间隙发射器的设计理念12。1957年，他详细介绍了13，14宽带发射极晶体管理论。然而，在那个时候，这个技术的实现还达不到要求。因为晶格常数约有4的不同，对无缺陷的硅锗层发展是一个挑战。因此，在一个硅衬底上的SiGe薄膜被压得很紧，如有一个稳定的标准按图1所示，该块地方可以达到有效的应变层厚度，即锗的含量15。绿色区域标志着稳定区域，其中无缺陷的硅锗薄膜可置于Si衬底上。 图1 硅/锗异质结构层的稳定性图显示了可变现的有效层相对锗含量（密度）的厚度为无条件稳定的无缺陷的硅锗薄膜层的增长151977年， Erich Kasper 和Peter Russer 提出一个基于单晶锗的混晶体系的基础和指定精确的尺寸规定以及制造程序和技术的双极晶体管16。这项专利第一次提出了双异质结构（图2）。根据这一披露，单晶硅材料应用到了超高真空技术（1），首先是负极或正极的硅层掺杂（n/ P）（2）如同集电极。那薄薄的P/n硅锗混和晶体层厚度小于200纳米（3）发展形成了晶体管的基极。在这层被硅射极层所覆盖（6）。这一直是一个必不可少的步骤，以减少晶格不匹配。据报道在1987年，IBM的研究人员17第一个实现了硅锗异质结双极晶体管。 图2 硅锗异质结双极晶体管原理图的发现。这些数字对应的是用来制造晶体管的各个层。原理在硅锗异质结双极晶体管，基区是由锗硅层和两侧相邻硅层构成的。增加基区锗的含量，该基区的带隙Eg减少为 Eg, Ge, ，如图3所示。 图3 硅锗异质结双极晶体管的能带结构。由于硅锗的基极有较低的带隙由于基区低带隙和高基区掺杂使其达到了较高发射效率。一个HBT的基极比硅双极晶体管掺杂更多，用以减少基极电阻受到放大而造成的负面影响。图4显示了一个HBT的横截面。异质结双极晶体管都采用自对准发射极的基础结构以及选择性外延增长的硅锗基层。从发射到相应的电子注入和相应的自由发射器的设计、基区掺杂，都减少了屏障的影响，实现了明显的高频率运作。 图4 横断面观察的硅锗异质结双极晶体管NPN型自我注入器（SIC）和深沟槽隔离 电流增益截止频率fT，也被称为转换频率，由下式给出 其中Ceb和Ccb是发射极和集电极基基耗尽电容;b，e和c分别为基极，发射极和集电极传输倍，发射极电阻re，给出了 当去嵌入S参数的测量，它不是理想的内部晶体管，而一个晶体管有串联电阻连接的三个触点（发射器，基地，集电极）需要被测量18。HBT的最高振荡频率fmax给出 其中rb是基极电阻，Cbc是集电极电容。在硅锗异质结双极晶体管，低带隙允许一个较高的基数掺杂，因此，低基极电阻，从而增加到fmax。较高的基区掺杂所以相较于硅双极晶体管就可以实现较低的基极电阻。通常的晶体管模式是基于宽频带从低频信号放大到ft。输入和输出之间晶体管的换相导致了损失放大。Luryi19提出的晶体管的连贯传输，克服相移的限制。通过共振相位晶体管的调查，结合一个与耗尽层相位延迟一致的传输，第一次实验验证了共振相位晶体管的功率增益超过了它的规定频率 20 -22。共振相位晶体管是一种电流的放大实现了远超在此基础上的一个基极相干载波传输中的转换频率的硅锗异质结双极晶体管。这使得设计的晶体管在给定的工作频率上得到更大的基极宽度同时可以增加一个十倍的RF输出功率。窗体顶端单片毫米波集成电路线性放大器硅锗进程的发展很好地反映在毫米波制度的放大器提高性能上。W波段（75-110千兆赫）用在最近一直在文献报道的硅锗技术放大器23 - 25。 一个91 GHz低噪声放大器（LNA），提出了采用单向增益峰值设计技术23。LNA的开发于0.12毫米，200千兆赫ft硅锗技术。测量结果显示了13dB峰值增益，25.4dBm的IIP3和一个在91 GHz在8.1 mW的直流功率消耗为5.1分贝的噪音。该放大器展示了16GHz的带宽从84到100千兆赫的3dB增益，与10dB的增益和最小的只有五点五分贝平均噪声系数。超宽带放大器方案是实现于26有两个可用于高带宽和低增益波动均衡级联阶段。该放大器实施了一个0.12毫米硅锗双极互补金属氧化物半导体（BiCMOS）的工艺，达到了102千兆赫的3 dB带宽。一个10 dB增益据说小于1.5 dB的增益纹波并且组延迟变化小于在整个3 dB带宽的6 ps。振荡器SiGe双极技术非常适合于电压控制振荡器的毫米级规定（VCOs），由于其相比CMOS有较高的输出功率和更好的相位噪声的性能。完全集成了一个77 GHz的汽车雷达系统和在约100千兆赫27实现应用的SiGe VCO的输出缓冲区。相应的芯片照片是描绘在图5。在77 GHz的中心频率，调谐范围达到6.7的297 dBc / Hz的相位噪声在1 MHz GHz的抵消频率。总信号功率的产出都缓冲区大小为18.5dBm的。 图5。模具硅锗的77 GHz的基本振荡器输出缓冲区和汽车雷达应用的6.7 GHz的调谐范围的照片27。提出了一个完全单片集成的J -波段（220-325千兆赫）双推式振荡器28。该装置已在生产制造，其中的SiGe为C双极技术。在工作中使用的晶体管显示最大为200千兆赫频率ft和最大值超过275 GHz的振荡频率fmax。由传输线元件，金属绝缘体金属电容器，TaN电阻构成伺服电路。输出信号的频率可以被调整至275.5千兆赫和279.6千兆赫。功率放大器一个完全集成50 V的输入和输出匹配（PA）的77 GHz，17.5dBm的功率放大器是由0.12毫米的SiGe BiCMOS工艺制造的29。它实现了峰值功率增益17分贝，最大的单端17.5 dBm，12.8的功率附加效率（PAE）的输出功率。此功率放大器拥有15 GHz的3dB带宽并在1.8 V电源下得出165mA电流。导体支持的共面波导管被用来作为传输线结构，这造成了大量相邻线的隔离，并允许在一个0.6平方毫米区域内集成PA。人们提出在一个60 GHz工业科学医疗（ISM）频段应用120 dBm的功率放大器30。此功率放大器是由一个0.13毫米的SiGe BiCMOS工艺技术制造的，并采用全集成的片上均方根（RMS）的自动电平控制（ALC）的功率检测器，内建自测试和电压驻波比（VSWR）保护。单级推挽放大器采用中心抽头的高效率与核心面积微带0.075平方毫米的紧凑布局。此功率放大器提供高达20 dBm的功率而不需要功率合成。在60GHz，它达到了18 dB的峰值功率增益，1 dB压缩成为13.1 dBm，以及12.7的高峰的PAE。该放大器是可编程的，通过三线串行数字使人们摆脱了4 V电源的自适应偏压控制接口。 混频器和接收机一个活跃的降压转换混频器适用于从76 GHz到81 GHz汽车雷达的应用且实现了200千兆赫ft的硅锗双极技术31。该芯片的照片显示在图6。一个超过24分贝，单边带噪声系数不到14分贝的转换增益的实现。在1分贝压缩输出为24 dBm。在300 V电源上电压功率消耗为25毫瓦。 图6 硅锗技术的单端集成LC巴伦和本振77 GHz有源降压转换混频器（LO）的缓冲区的模具照片31。提出了单芯片接收器前端32，包括一个低噪声放大器和在77千兆赫有源降压转换混频器。模具的照片显示在图7。该电路实现了硅锗中：ft/ fmax=200/250 GHz的C HBT技术和全差分可以操作或单端模式。前端显示了24 dB的转换增益和单边带噪声系数的14分贝时，驱动单端。前端显示了24 dB的转换增益和单端驱动时14分贝的单边带噪声系数。线性测量显示，在1 dB的相关输入被压缩为-10 dBm。该电路汇集了来自3.3 V电源的40 mA电流和面积7281028平方微米的芯片。 图7。模具的77 GHz的接收器前端可以全差分或单端操作模式的硅锗技术32照片。分频器静态和动态频率分频器实现了在200千兆赫ft的SiGe双极技术33。静态分频器有32个分频比，可在高达86.2千兆赫。图8显示芯片的静态照片分频器。动态分频器是基于可再生分频的，具有两个分频比。它可在高达110千兆赫（由测量设备作限制）。双混频器34是用来直接将输入频率除以四的。一个校验芯片已经开发了225千兆赫ft的SiGe双极技术。该电路工作在一个80-160GHz的频率范围，在25.5 V电源上功耗为650毫瓦。 图8 模具静态分频器的照片，工作频率高达86 GHz，一个在200千兆赫的ft硅锗技术中分频比为3233。片上系统毫米波收发前端的单个单片机方案的可行性已经在若干组中被证实。图9显示了一个完全集成的四通道77 GHz的SiGe收发器的模具照片35。芯片面积为3.25 2.1平方毫米。它包括一个带有基本PA和频率振荡器。该芯片具有两流窜式耦合器和LO信号分配的四个混合器。在同一个发射天线端口有2 +7 dBm的功率，该芯片由一个5.5 V电源提供600mA的电流。接收器的分离和转移的增益为14.2和8.5分贝，噪声系数分别为17.7和23.4分贝。报告指出SiGe HBT的一个单芯片可以为多普勒天气雷达和毫米波成像提供直接转换成77-85 GHz德收发器36。该芯片的制造应用了ft/fmax达到230/300GHz的0.13微米的技术。它实现了40分贝通过接收器的转换82 GHz的增益，3 dB带宽范围由77至85GHz和3.85分贝双边带的噪声系数在LO频率为82 GHz。 图9 在汽车认证环境硅锗的生产工艺中第一个四通道77 GHz雷达收发器的模具照片35。SiGe HBT的在80 GHz和160 GHz的D -波段（110-170千兆赫）实时传输收发器 37。该收发器在80 GHz与在160 GHz差动输出的Colpitts振荡器和带宽70至180GHz的垂直堆叠变压器发生正交。一个23分贝的峰值差分转换增益已经达到165千兆赫。单端165GHz的发射器产生23.5 dBm的，而82.5 GHz差分输出功率为12.5 dBm的。片上集成天线对于60 GHz及以上线路的运行频率，小波长允许在芯片上集成更多的天线。这减轻了从电路边缘传输高频的问题。这种平面天线的性能主要是受限于硅材料的介电常数。在文献38中提出了一个完全集成的77 GHz的在硅芯片上集成天线的四元相控阵收发器。测量天线增益的一个单一的综合偶极天线的峰值为2 dBi。在39中提出一个165GHz的单芯片，在片上发射和接收天线收发器。对集成修补程序和上浮动金属条的锥形偶极天线的调查已经开展，天线产生了25dB的损耗。结论与展望今天，硅和锗为基础的单片集成电路允许实现传感和通讯系统的频率达到毫米波频率范围。结合有源器件的无源平面结构，包括频率超过60GHz的天线，允许单芯片实现完整毫米波的使用硅锗异质结的前端。完成77-81 GHz的汽车雷达前端的单片集成，今天已经是可行的了。在未来，基于锗的RF- MOS和基于硅绝缘体（SOI）波导的高速光电链接以及锗探测器和调制器将进入毫米波制度。从锗硅磊晶的探测器可以证明其速度高达50 GHz，具有远高于100GHz的潜力。他们良好的检测和近红外调制的行为是一种片上波导解决方案的先决条件。对于Si基微，毫米波和太赫兹解决方案的详细资料将提交下一次在新奥尔良举行的硅在单片集成电路射频系统（SiRF2010）上的应用的专题会议 ()。SiRF2010将讨论材料，器件，集成电路技术，电路，无源器件，微/纳机电系统，可靠性问题，测量和建模，应用和纳米级的微波解决方案。参考文献1 P. 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