硅鍺(SiGe)技術(shù)已經(jīng)從一種富有潛力的技術(shù)發(fā)展成為目前和新一代移動設(shè)備的先進解決方案，廣泛應(yīng)用于手機、無線局域網(wǎng)(WLAN)和藍(lán)牙等產(chǎn)品。在無線通信應(yīng)用中，這種技術(shù)用于下變頻器、低噪聲放大器、前置放大器和WLAN功率放大器。而今，SiGe技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于CDMA和GSM手機中的高功率放大器產(chǎn)品。由于這種半導(dǎo)體可以集成更多電路，它將在未來功率放大器與無線射頻(RF)電路的集成方面發(fā)揮重要作用。
SiGe技術(shù)的優(yōu)勢
降低手機設(shè)計成本的兩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術(shù)。SiGe既擁有硅工藝的集成度、良率和成本優(yōu)勢，又具備第3到第5類半導(dǎo)體(如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP))在速度方面的優(yōu)點。只要增加金屬和介質(zhì)疊層來降低寄生電容和電感，就可以采用SiGe半導(dǎo)體技術(shù)集成高質(zhì)量無源部件。
此外，通過控制鍺摻雜還可設(shè)計器件隨溫度的行為變化。SiGe BiCMOS工藝技術(shù)幾乎與硅半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路(VLSI)行業(yè)中的所有新技術(shù)兼容，包括絕緣體硅(SOI)技術(shù)和溝道隔離技術(shù)。
實驗證明，SiGe器件的工作頻率可高達(dá)350GHz,而普通硅芯片的工作頻率只能達(dá)到幾個GHz，而且其電流速度為普通硅半導(dǎo)體的2到4倍。此外，SiGe器件還在噪聲、功效、散熱性能方面優(yōu)于第3至第5類雙極晶體管。事實上，硅基片的熱導(dǎo)率是GaAs的3倍。
SiGe的種種優(yōu)勢使其能在WLAN、有線電視電話和光通信應(yīng)用中實現(xiàn)低成本、高性能產(chǎn)品。隨著擊穿電壓和高性能無源部件集成領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，SiGe正逐漸占據(jù)傳統(tǒng)的GaAs領(lǐng)地，即手機功率放大器應(yīng)用的領(lǐng)域。
擊穿電壓
手機功率放大器必須能在高壓下應(yīng)對10:1的電壓駐波比(VSWR)，并能發(fā)送+28dBm(用于CDMA手機)到+35dBm(用于GSM手機)的信號。由于GaAs半導(dǎo)體具有較高的擊穿電壓，因此傳統(tǒng)的功率放大器一直采用GaAs技術(shù)。然而GaAs這一優(yōu)勢很有限，因為這種半導(dǎo)體的成本高，又難以與其它無線電路相集成。這種缺陷在需要多個功率放大器的多模手機上尤其明顯；而且由于還沒有低成本的硅半導(dǎo)體工藝可以實現(xiàn)這類集成，手機的用材將會增加。
為了制造出滿足嚴(yán)格的手機技術(shù)要求的SiGe功率放大器，加拿大SiGe半導(dǎo)體公司采用fT為30GHz的主流SiGe工藝，與InGaP使用的主流工藝相類似。選擇這種工藝，主要著眼于手機應(yīng)用環(huán)境下功率放大器的擊穿電壓、線性性能、效率以及集成方面的優(yōu)勢。
為了確保高功率下的可靠性，SiGe技術(shù)的+5.5VDC擊穿電壓必須獲得改善。SiGe半導(dǎo)體公司的設(shè)計人員開發(fā)出專有的電路、工藝技術(shù)和晶體管。利用這些開發(fā)成果就可以生產(chǎn)出高功率的功率放大器，其擊穿電壓能夠在整個工作循環(huán)中，以及在滿功率和+5V(當(dāng)用于CDMA手機)或+4.5V(當(dāng)用于GSM手機)電源電壓下，可靠地應(yīng)對10:1電壓駐波比。(圖2)
低擊穿電壓和隨之引起的可靠性問題是RFCMOS無法實現(xiàn)體積小、占位少、成本低和功效高射頻功率放大器的原因所在(參見表1)。例如，為了提高工作效率，RFCMOS芯片必須大幅度提高電流強度，因此需要更大的晶體管，這意味著芯片的尺寸會變大。此外，晶體管增大后會使器件的功效降低。這些權(quán)衡因素使RFCMOS技術(shù)在手機的高效功率放大器領(lǐng)域上很不稱職。
手機應(yīng)用
由于技術(shù)的進步，SiGe現(xiàn)已具有較高的擊穿電壓，足以達(dá)到GSM-EDGE/CDMA以及最新WLAN(包括802.11g標(biāo)準(zhǔn)的WLAN)應(yīng)用所要求的功率放大器效率和線性度指標(biāo)。
因此，在設(shè)計電池供電設(shè)備時，設(shè)計人員可以充分利用SiGe技術(shù)在成本、集成度、噪聲和高頻特性方面的優(yōu)勢。而且，在數(shù)字電路需要與模擬電路接口時，可采用SiGeBiCMOS技術(shù)，因為其電壓余量和噪聲性能均符合要求(RFCMOS中的電壓會逐漸遞減，這將會減弱數(shù)字電路與具有高動態(tài)電壓范圍的模擬輸入的接口能力)。
與用于手機功率放大器的第3到第5類半導(dǎo)體相比，SiGe的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在成本上。SiGe的主流工藝采用200毫米(8英寸)晶圓，并正在向300毫米晶圓目標(biāo)發(fā)展；但GaAs卻是使用4到6英寸晶圓制造的，由于晶圓尺寸較小，在良率和工藝成本方面不利。
采用SiGe的另一個主要優(yōu)勢是高集成度，通過使用SiGe，設(shè)計人員可在功率放大器周圍集成更多的控制電路。這樣，最終的器件就比第3到第5類半導(dǎo)體器件更加節(jié)省板卡空間，因為后者需要功率放大器芯片再加一塊CMOS控制芯片，而SiGe卻能將這兩項功能集成到一塊芯片中，并具有集成更多無線功能的潛力。
在不久將來，設(shè)計人員很可能需要將RF電路集成到CMOS電路或功率放大器芯片中。采用SiGe技術(shù)，設(shè)計人員就可以將功率放大器和RF電路集成在一起，卻不會影響功率放大器的效率，因而不會縮短手機電池的壽命。這一點很重要，因為集成RF電路應(yīng)該比將所有無線電路(包括功率放大器部分)都集成到CMOS電路中尺寸更小，而成本效益更高。
