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PK:硅工艺&砷化镓技术

ADI_Amy 員工 在 2016-4-13 建立的討論區

砷化镓技术是射频和微波器件设计的常用技术,但如果产品要求快速建立时间和快速开关时间,硅工艺优于砷化镓。

 

那么问题来了——

采用硅技术的射频和微波控制产品,相比砷化镓器件,优势在哪里呢?

 

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设计特性的PK:

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砷化镓技术是射频和微波器件设计的常用技术。 如果产品要求快速建立时间和快速开关时间,那么硅工艺优于砷化镓。 另外,硅工艺的集成能力更强,我们可以在控制产品芯片上实现其他特性。 对于低频工作,硅也优于砷化镓。 但是,如果您的设计超过40 GHz,最高可能达到80或90 GHz,那么砷化镓似乎是当前的唯一选择。 功率处理、插入损耗、隔离度和线性度是设计参数,硅和砷化镓工艺均可满足要求。

 

硅片上可以实现专用ESD保护结构,而砷化镓在这方面存在局限性。 对于高温工作,砷化镓显示出优于硅的性能。 另外,砷化镓phemt器件还能实现故障安全操作之类的功能,但器件需要电源才能进入导电模式。

 

 

建立时间的PK:

当器件发生切换或变更配置时,射频信号需要一定的建立时间才能稳定在最终值。 砷化镓器件存在栅延迟效应。 当晶体管切换时,通道中残余电荷的衰减时间比开关时间长得多。

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这张图比较了两款产品,HMC540LP3E采用砷化镓制造,另一款产品HMC540SLP3E具有非常相似的特性,但采用硅工艺制造。 砷化镓器件由于栅延迟效应,需要大约8微秒才能建立至最终射频功率水平。 而硅产品不到1微秒便建立到相同的值。

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集成能力的PK:

由于器件结构和特性,砷化镓工艺有一些限制。 砷化镓主要使用phemt器件,对于MOS器件,其阈值电压变化范围是-1 V至-3 V。 因此,设计一个低压CMOS接口等接口电路或串行转并行接口等复杂电路是不可行的。 需要外部电路与砷化镓器件配合使用。 一般使用0至-5 V作为控制电压。

 

而在硅工艺中,阈值电压低得多,并且符合标准CMOS接口电压要求。 接口可以与衰减器或开关控制产品一起在同一芯片上实现,器件实际上可以与标准CMOS器件接口。 同样,设计中还可以包括复杂的数字电路,并且可以实现高级特性以增强器件性能。

 

高集成度可以使设计人员简化PCB,简化设计,减少PCB面积,以及减少所用的器件数量,最终节省成本。 可以通过扩展硅工艺集成以整合更多复杂的功能,实现特性丰富的产品。 当我们讨论新产品时,我会给出一些例子。

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砷化镓数字衰减器和硅数字衰减器如框图所示。 典型砷化镓数字衰减器实际上是一个多芯片模块,砷化镓芯片和一个单独的芯片位于同一封装中。 标准CMOS芯片通过电平转换,从标准CMOS电平变为砷化镓芯片所需的高压电平。 但硅方案可以做成单个芯片。

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ESD(静电放电)可靠性的PK:

硅工艺的另一个优势是静电放电可靠性。 在砷化镓工艺中,仅有限的元件可用来实现ESD结构。 它主要使用二极管和布局技术来获得某种程度的ESD保护。

 

硅工艺则能实现专用保护电路,比如箝位和单次触发电路。 左边框图为典型的砷化镓ESD单元,其基于二极管。 右边显示的是典型的硅ESD单元。 二极管仍在那里,但还有一个专用ESD结构,以提供更高水平的保护。 鲁棒的ESD保护确保器件在汽车、军事和系统测量应用等ESD敏感环境中可靠地工作。

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是否支持低频工作器件的PK:

硅工艺还有一个优点值得指出,那就是它支持设计以低频工作的器件。 同样,我会给出砷化镓器件和硅器件的例子。 由于栅极漏电流,砷化镓有一些限制。 但在设计方面,砷化镓器件几乎无法在非常低的频率下使用。 但是,硅晶体管的栅极完全隔离。 设计也可以针对低频带进行优化。

 

左图所示为砷化镓器件,接近数百MHz时,其功率处理能力开始降低;右图所示为硅器件HMC1118,即使低到1 MHz范围,其功率处理仍然非常好。 低频端涵盖 9 kHz工作频率,这使得硅器件非常适合系统测量应用。

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結果