5G / MM Wave IC设计技术
在蜂窝，军用雷达和其他无线通信应用的增长推动下，高频开关电路在混合信号IC中变得越来越普遍。在较低的频率下，成熟的BiCMOS工艺通常用于这些混合信号，模拟/数字IC。但是在GHz频率下，损耗和失真增加，性能下降，因此需要特殊的技术。
例如，考虑一个5G手机向和从手机发射塔发送和接收28 GHz信号。电话和发射塔中的R / F信号电路需要以各种方式操纵这些28 GHz信号，包括在发射和接收（T / R）模式之间进行切换。实现这些T / R开关的电路必须在高频率下工作，并且在断开状态下具有良好的隔离性，并且不会引入信号损失或衰减。这给传统的BiCMOS设计工艺提出了挑战，而这些工艺的效果很差。
传统的体NMOS晶体管存在的问题
模拟设计人员熟悉将金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）用作低频（或DC）信号的开关。它们允许通过漏极-源极通道的信号以很小的电压和可忽略的开关电流导通或关断。当从栅极施加到源极的开关电压超过阈值V GS时，开关导通，并且漏极和源极之间具有低阻抗。否则，开关将关闭，并且漏极-源极路径具有高阻抗。
但是，在较高的射频（RF）下，由于从漏极和源极到基板（体）的电容变得很重要，因此无法完全关闭通道，从而导致信号损失，这在图1中示出。由于在串联连接的场效应晶体管（FET）中，体量对于输入和输出信号都是公共的，因此输入和输出通过体电容耦合。这限制了使用标准NMOS器件的交换机提供的隔离。
图1：标准体NMOS FET和等效电路模型，显示了到基板的寄生传导路径。晶体管关闭时，漏极和源极无法完全隔离。
标准的NMOS器件也会对信号产生较差的线性响应，尤其是在较高频率下。如图1所示，在衬底的大块p材料与源极和漏极的n +材料之间形成了寄生二极管。这些二极管可以通过较高幅度的RF信号导通。这会通过削波和失真来限制允许的摆幅。
解决此问题的传统方法是将多个晶体管串联放置-一种称为堆叠的技术。这种配置允许更大的电压摆幅，增强的功率处理能力以及减少的削波和信号失真。但是在较高的RF频率下，低阻抗电容并联路径变得很重要，从而无法有效利用堆叠。
三阱器件
在过去的十年左右的时间里，针对上述问题的技术创新和具有成本效益的解决方案已经得到完善，现在大多数现代半导体工艺技术中都可以使用。
该解决方案基于对标准BiCMOS工艺技术的增强，该技术涉及在主体和衬底之间注入额外的n层。用这种技术制造的晶体管称为三井器件。
参照图2，在p阱块和p衬底之间注入深n阱，以有效地将块与低电阻衬底隔离。由深n阱形成的两个二极管是实现这种隔离的关键。通过使用施加在N阱端子上的正电压通过一个大电阻器反向偏置这些二极管，深n阱将电浮置，从而将p阱体与p衬底隔离开。
这有几个好处，将在下面的部分中进行讨论。
图2：三阱NMOS FET，显示了n阱和体偏置端子以及等效电路模型。反向偏置的N阱二极管将主体与衬底隔离。
削波和失真
第一个好处是几乎消除了在大RF信号摆幅下在标准体NMOS晶体管中发生的削波和失真。通过将掺杂区与衬底隔离并通过大电阻R B将掺杂区浮置至地，可以有效防止p阱源极和漏极二极管导通。这消除了标准体NMOS晶体管的非线性结，从而在较大的RF摆幅下减小了信号失真。
高频隔离
当晶体管处于截止状态时，将p阱块与低电阻p衬底隔离还可以改善源漏隔离。参考图2，源极和漏极之间的电容耦合（C SB和C DB）串联出现，并且具有大的接地电阻（R B）。这样可以最大程度地减少高频RF损耗；改善了开关源极和漏极之间的隔离。
晶体管堆叠
在更高的RF信号摆幅下，使用三阱NMOS器件还可以改善堆叠晶体管的性能。通过使P阱主体通过R B电阻器浮动（图2），并将其与衬底隔离，可以减少通过电容分流路径的损耗，从而实现晶体管堆叠的理想功能–改进的功率处理能力，更大的信号摆幅，并减少失真。
混频器
三阱NMOS器件还为混频器应用提供了好处，这在基站无线电接收器中很普遍。混频器用于将RF信号下变频为中频（IF）信号，并且必须具有低失真的良好噪声特性（低噪声系数）。混合器设计可通过以下方式利用三阱NMOS器件。无需通过电阻R B将p阱大容量端子接地在图2中，p阱体端子通过一个大电阻器直接连接到源极端子。如前所述，深N阱端子上的正电压使N阱二极管保持反向偏置，从而将p阱体与p衬底隔离。这样可以减少并联电容和RF信号损耗。在体端子和源极端子之间使用大电阻器可使p阱在RF频率上浮动，从而减少二极管削波，并减少信号失真。
由于这些特性，使用三阱器件为设计低损耗和低失真的混频器提供了一种经济的方法。
总结
本文讨论了使用标准CMOS器件的BiCMOS IC上的高频RF信号切换电路会出现的一些问题，并说明了三阱器件如何解决其中的一些问题。
对于处理高频RF信号的IC，三阱器件是一项重要的技术。由于它们需要对标准BiCMOS工艺的最小扩展，因此它们为现代通信技术所使用的频率越来越高的信号带来的问题提供了一种经济的解决方案。但是，它们确实引入了设计上的细微差别，必须仔细解决。Intrinsix已成功制造三阱器件，以解决挑战性的R / F微波设计挑战，并且在硅衬底上获得了的成功。
