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技術發展

異質接面雙載子電晶體磊晶片(Heterojunction Bipolar Transistors, HBT)

HBT因物理特性具備高線性度、良好寬頻響應、高崩潰電壓、高增益、高效率、較低寄生效應、無需負偏壓設計、低相位雜訊等優點, 致使其功能顯現具有功率放大倍率佳、待機耗電流較低、體積小等特色,故在符合行動電話產品發展趨勢下,HBT已逐漸成為市場上手機及無線區域網路(WLAN)用功率放大器(Power Amplifiers, PA)之主流技術,1995年僅有10%的手機採用HBT材料製成之PA,到了2005年HBT在手機PA之滲透率已超過9成。

另一方面隨著手機性能與技術的提升,透過手機傳輸的資訊性質也愈趨多元、傳輸容量與龐大,消費者對良好的傳輸品質、速度與較長的電池壽命等要求亦日益增高,這些都衍生對PA數量之需求,同樣的技術演進也發生在Wi-Fi,當技術規格在2.4 GHz的時代,GaAs與Si、SiGe皆為可使用之材料,但當規格走向多頻並往更高的頻率推進時(2.4 GHz/5 GHz),只有GaAs材料能勝任高頻通訊下要求之特性與功能。

隨著終端產品對功能、特性之要求不同,HBT使用之材料也有GaAs HBT、InGaP HBT等不同之區分,亦有High Voltage HBT等特殊特性要求之產品。InGaP HBT與AlGaAs HBT相較,可有較高選擇性的化學濕式蝕刻(selective chemical wet-etching),因此製程良率較高,其射基極接面價電帶不連續(valence band discontinuity, ΔEv)較大,因此在高溫時增益(gain)下降的幅度較小,加上射基極接面導電帶不連續(conduction band discontinuity, ΔEc)較小及較低的表面復合速度(surface recombination velocity)等優點,所以已經逐漸取代AlGaAs HBT技術。

 

假晶高電子遷移率電晶體磊晶片(Pseudo-morphic Heterostructure Field Effect Transistors, PHEMT)

AlGaAs PHEMT與傳統的HEMT相較,有較高的二維空間電子氣(two-dimensional electron gas, 2DEG)濃度,較高的電子移動率(electron mobility, μn),較平坦的互導-偏壓關係(broad-plateau extrinsic transconductance),較高的崩潰電壓(breakdown voltages),較高的電流驅動能力,較低的漏電流(leakage current),較好的溫度特性(temperature performance)及較好的雜訊特性(noise perfromance)等優點,使其在高功率基地台,低雜訊放大器(LNA)及射頻開關(RF Switch)上佔有重要地位。PHEMT因為砷化銦鎵(InGaAs)的加入,特別適用於RF Switch的應用使得它未來在電腦與電腦間的無線區域網路(Wireless Local Area Network, WLAN)、用以固網長途無線傳輸的無線本地迴路(Wireless Local Loop,WLL),乃至於光纖通訊、衛星通訊、點對點微波通訊、衛星直播、有線電視、數位電視應用、Automobile radar及汽車防撞系統等應用,都有相當大的成長空間。早期手機的RF Switch採用矽二極體(Si diode)為主,但近年來由於3G手機的品質要求提高,且晶片面積必需減小,因為PHEMT正符合這方面的需求,因此PHEMT正逐漸取代Si diode在手機RF Switch的應用;另一方面,分子束磊晶法(MBE)及MOCVD兩種技術皆可生產PHEMT,傳統上客戶端較習慣使用MBE長的PHEMT,但MOCVD技術之量產能力及成本優勢漸被產業界認同,品質水準亦媲美MBE技術,甚至對客戶端而言,製程良率更勝一籌,有機會形成取代MBE技術之替代效果。基於化合物半導體材料上的優異特性,在高科技產業(尤其是無線通訊產業)發展趨勢中更凸顯其重要性。

 

異質接面雙載子暨假晶高速電子移動電晶體磊晶片(BiHEMT)

BiHEMT的設計是應用矽基的 BiCMOS的概念,但其不同的地方在於,經由電路設計透過磊晶成長及製程將InGaP HBT線性功率放大器、AlGaAs PHEMT高頻開關、AlGaAs PHEMT邏輯控制電路、AlGaAs PHEM低雜訊的功率放大器、被動元件及內部連接線路整合在單一砷化鎵晶片中。由於可以提高晶片整合度,降低晶片尺寸,使得材料與製造成本下降,BiHEMT近來已經成為砷化鎵微波電路的新趨勢。 
BiHEMT的整合比起之前的多晶片模組具有更多的優勢。除了模組的尺寸縮小之外,其封裝成本更低,因此大大地降低了材料成本,且由於其內部元件都屬砷化鎵基的元件,因此可以節省一些偏壓及控制電路,使其更為省電。BiHEMT的結構也提供電路設計者更大的設計彈性,其內部每個單元可以選擇不同的元件結構以達到更佳的特性。例如在單一AlGaAs PHEMT結構的晶片上,是使用蕭特基二極體(Schottky diode)當作靜電傷害保護二極體(electrostatic damage protection diode),其缺點是佔用的面積太大,然而在BiHEMT的結構中,HBT的基極-集極二極體(B-C diode)可以用作PHEMT開關的靜電傷害保護二極體以解決了蕭特基二極體佔用的面積太大的問題。


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