HEMT 低雜訊放大器設計
3.2 製程介紹
隨著 IC 科技產業的進步，利用以矽為主的 CMOS 有成本低，且 整合度較高..等優點。但對於一些比較嚴格雜訊要求的接收機中，利 用 CMOS 似乎稍不夠，即使隨著製程的進步，其截止頻率，也可以 做比以往高，但其通道雜訊也隨著變高。跟 HEMT 比較起來，HEMT 有更高的轉導值、更好的功率密度、低雜訊指數、及高的崩潰電壓。
在實做 LNA、PA，利用 HEMT 反而有比較優的表現。
以現在 HEMT 技術來說，較主流的有三種：gallium-arsenide(GaAs) 為基礎的 pHEMT，以 GaAs 為基礎的 mHEMT，以及以 indium - pho sphide(InP)，pHEMT 有高增益、高截止頻率，由於其 InGaAs 通道直 接生長在 GaAs 基本上，其銦含量保持在 15-30%之間才能與鄰近材 料的晶格錯位(lattice mismatch)。而 InP HEMT 雖然有比起 pHEMT 有 較優異的雜訊效能，較高的功率增加效率(Power-added effciency，
PAE)，但 InP HEMT 天性其材料比較脆弱，以至於其生產成本高，晶 原的尺寸無法做大。mHEMT 改進了 pHEMT 其銦含量無法再提高的 缺點，在 InGaAs 道通與 GaAs 基板之間置入一變質層(metamorphic layer)來做緩衝，調整通道與基板之間的晶格錯位，這將使得通道中 的銦含量不再受到限制，高銦含量讓 mHEMT 有著比 pHEMT 更好的 雜訊效能、更高的增益、更高的截止頻率與更低的功率消耗。pHEMT
跟 mHEMT 兩者之性能比較可以如下表:
項目 pHEMT mHEMT 單位 通道長度 0.15 0.15 μm In 莫耳含量 15~30 40 %
ft 88 110 GHz
fmax 183 200 GHz
Gmpeak 495 730 mS/mm
Vbreak down(gate-drain) 10 12 volt
IDSmax(Vgs=-0.5V) 650 530 mA/mm
表3.1 HEMT 特性比較表
本節的電路主要是由穩懋公司所提供的通道長度為 0.15μm pHEMT 以及 mHEMT 技術，pHEMT 的截止頻率( ft)為88 2.2± GHz，
最大振盪頻率( fmax)為183 11.2± GHz， mHEMT 技 術其截止頻率達 120GHz，最大振盪頻率則超過 220GHz，這兩技術的薄膜電阻(TaN resistor)其片電阻(sheet resistence)皆為50 1Ω± ，金屬-絕緣層-金屬電 容(MIM capacitor)其單位電容皆為400 40pF 2
± mm 。其結構剖面圖如圖 所示:
M2(t=2um)
M1(t=1um)
SiN(t=0.15um，εr=6.8)
Air Gap(t=2um，εr=1)
GaAs Sub. t=100um, εr=12.9
圖3.1 HEMT 製程剖面圖
3.3
基本放大器設計原理在一般設計低雜訊放大器，最注意不外乎就是其貢獻的雜訊指 數，及其功率增益是否夠大，能否壓掉後級的雜訊指數。但在考量系 統時，其線性度亦不可太差，會影嚮整體線性度的動態範圍。線性度 和雜訊之間在一定功率損耗的情況下，通常會取捨，故需特別注意。
且在高頻的放大器之電路上，穩定度也是一個很重要的考量因素。
3.3.1 源 極 退 化 阻 抗 的 共 源 極 放 大 器 (Common-Source Amplifier With Source Degeneration)
先 簡 單 地 看 一 帶 有 源 極 退 化 阻 抗 的 共 源 極 放 大 器 (Common-Source Amplifier With Source Degeneration)，
Vin
Zgd =
Zg=sLg
Zin
1 sCgd
Zgs = 1 sCgs
Zs=sLs
圖3.2 帶有源極退化阻抗的共源極放大器模型 假設 Zgd 很大可以忽略，放大器的輸入阻抗可以寫為
(
1)
in g gs s m gs
Z =Z +Z +Z +g Z
(3.4)
在實際電路設計上，電晶體上的 Zgs 表示成寄生電容的 Cgs，而 Zgd 表示成寄生電容 Cgd，等效電路圖可以如圖 3.5，Zs 和 Zg 可以用 無損耗的被動元件(lossless passive components)逹到一個純實部的 50 歐姆輸入阻抗的匹配，其輸入阻抗可以表示成Zin =g Z Zm gs s+Rmin。其中 Rmin 是 Zg、Zgs 和 Zs 的實數和。其中 Zs 是主要是由電感來產生一 實部項，把電晶體的寄生電容效應考應進去時，其電感感值可以表示 成 s in gs in
m T
C R
L R
g
ω
= ≈ 。
由上述式子可以發現其 Rin 值是固定在 50 歐姆，而源級退化電 感的感值跟電晶體的載止頻率有一個很大的關係。只要電晶體的截止
頻率增高，其所需的感值就可以越小，電感的面積也會變小，其寄生 電阻也越小而其所造成的雜訊指數也會因此變小。
Rs
S
RS
CGS
LS
LG
g Vm GS
ID
S iout
圖3.3 帶有源極退化阻抗的共源極放大器小訊號模型 雜訊指數推導後如下式所表示:
2
0
1 m S
T
F g R
ω ω
= + Γ
。電晶體所供獻的
熱雜訊是跟操作頻率和電晶體的截止頻率有關係的，操作頻率越高，
雜訊指數越高，而電晶體的截止頻率越高其雜訊指數越低。電晶體的 轉導越大其雜訊指數也越低。
經過上述的討論，要操作在一個相當低的雜訊指數，利用 HEMT 來實做是相當適合的，跟 MOS 比較起來的話一方面其截止頻率相當 高，其通導雜訊也比 MOS 來的低。