5G射频芯片中的半导体

作者：彭 来源：转自慧智微电子微信公众号

最近在与手机终端客户交流过程中，发现客户对于射频前端芯片的理解已经越来越深入：从最早的只把射频芯片当成一个黑盒子，到对PA等模块架构特点熟悉，再到对放大原理深入了解，国内手机终端公司逐渐把射频芯片从“用得了”，到“用的好”。

在对射频芯片的工作原理了解清楚之后，一些手机终端公司逐渐向芯片的更深层次：半导体器件层级研究。考虑研究深入的器件物理机理，对应用中看到的问题加以解释。

芯片之所以是芯片，就是因为半导体技术；芯片系统与板级系统最大的区别，也就是因为使用到了半导体物理器件。半导体器件是芯片公司的根基所在，手机终端公司对于半导体器件的研究，让我们这些芯片公司的“硅农”们感受到同道相益，备受鼓舞。

不过我们也发现，即使对于芯片公司或芯片工程师来说，“半导体物理”都是一个让人望而生畏的词。由于半导体物理太过晦涩难懂，很多的集成电路设计类专业甚至不再教授此课程；即使对于半导体专业的学生来说，学校里的“半导体物理”、“半导体器件”课程也常常成为学生时代的心理阴影，以至于工作之后再也不想谈及。

于是，我们就想梳理出一份材料，一起就射频芯片中常见的半导体器件做一个讨论。

半导体工艺简介

什么是半导体

在半导体被发现之前，人们认为世界上的材料根据导电性分类只可以被分为“导电”和“不导电（绝缘）”两种。按分类方法中的“相互独立、完全穷尽”的原则看，这是对世界上材料非常完美的分类方法，那为什么还会出现“半导体”这一分类呢？

一些文献中将“半导体”定义为“导电性能介于导体和绝缘体之间的材料”，准确来讲，半导体材料并不是导电的性能处于二者之中，而是导电特性可以在二者之间可控切换。这种导电特性可以在导体与绝缘体之间可控切换的材料，被称为半导体材料。

半导体现象的首次被发现要追溯到近200年前的1833年，电子之父法拉第发现硫化银的电阻随温度变化特性不同于一般金属，温度可以实现对硫化银材料导电性的可控，这是人类首次观察到半导体现象。

在1833至1945年这100多年时间里，物理学家对这一现象进行了深入研究。20世纪初的物理学革命为半导体科技奠定了坚实的理论基础，而材料生长技术为半导体科技奠定了实现中的物质基础。

掺杂：半导体材料的实现基础

半导体导电可控特性的实现是通过“掺杂（Doping）”来实现。

以硅原子为例，每个硅原子最外层有4个电子，在本征硅材料中，每个硅原子与周围的4个硅原子形成共价结合的稳定结构，从而没有可自由流动的自由载流子，不能形成电流。

这时，如果对本征硅材料进行掺杂，如果加入最外层有5个电子的磷元素，这时在形成4个共价键之外，还会多出一个自由移动的电子，这个电子就是一个自由载流子，当加上电压之后，掺杂材料就可以导电。自由移动的电子是半导体材料中的第一种载流子。

同理，如果掺杂材料为最外层只有3个电子的硼元素，这时会出现一个电子的空缺，电子在不断填满这个空缺的过程中，也可以使材料导电。由于电子不断填充这个空缺的过程不易描述，人们就发明了一个新的表征空缺的方式，即定义一种新的载流子来表示这个空缺，这种新的载流子就是半导体中的第二种自由载流子：空穴。

半导体的掺杂工艺实现了对半导体内自由载流子的控制。

p-n结：简单的半导体器件

图：p-n结的基本结构

利用半导体的掺杂特性，就可以设计出简单的半导体器件：p-n结。p-n结英文名称是p-n Junction，因为有正负两个端口，所以又称为p-n结二极管。

p-n结是在同一衬底上同时进行p型和n型掺杂，并使之交界，这样在二者交界处就形成耗尽区（也叫空间电荷区），从而形成p-n结。

p-n结的一个重要特性就是单向导电特性。当p型半导体侧加入正电压时，p型半导体中的空穴在外加电场作用下向右侧移动。当外加电场大于p-n结的内建电场时，空穴就会跨越过耗尽区，从而进入n型半导体区，之后在电场作用下进入电源负极，形成电流。

当n型半导体侧加入正电压时，n型半导体中的自由载流子电子向右侧移动，拉大内建电场宽度，使自由载流子更难跨越耗尽区，无法形成电流。

图：正偏及反偏下的p-n结

从“晶体管”开始，直到改变世界

只是用p-n结二极管，还不足以设计集成电路。

在半导体物理的基本原理被人类掌握之后，人类就开始用半导体材料设计制造一些特殊器件。比如：

• 利用半导体导电性能与温度之间的关系，可以设计出热敏电阻，来感知温度变化；

• 利用有些半导体导电性能与光照之间的关系，可以设计出光敏电阻，来感知光的变化；

• 利用有些半导体光电转换特性，可以实现电能和光能的相互转化，设计出发光器件，或者设计出光伏发电器件；

虽然利用半导体材料“导电性能可控”这一特性，可以在很多领域设计出重要应用的器件。不过这个时期的半导体还是很难和之后改变世界的“集成电路”联系起来。真正建立起“半导体材料”与“集成电路”之间联系的，是1945年被发明的“晶体管”。

早在1899年，人类就实现了无线电信号的跨英吉利海峡穿越。但在晶体管被发明之前，电子电路系统一般由真空电子管设计。真空电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短，并且需要高压电源，所以真空电子管所设计的电路一般只用在政府、军事部门中。真空管极大地限制了电路系统的大规模应用。

图：20世纪初，RCA公司采用电子管设计的放大器

为了克服真空电子管的局限性，第二次世界