图1：蓝牙系统的SiGe技术
采用SiGe的原因

　　Si和Ge具有相同的结晶构造，因而可在一种材料上堆叠另一种材料，且能够保持固定的原子顺序。然而遗憾的是，在较厚的硅基片上堆叠的锗原子层承受了较大的应力，故而会产生缺陷。为了减小结晶的应力，一般是采用生长含有30%锗的SiGe合金（而不是纯锗材料层）的方法。

　　SiGe层的电子迁移率大约是纯硅材料的2倍，因此，如果在晶体管的基极区使用SiGe合金，则利用这种高电子迁移率不仅能够降低噪声、偏置电流和馈电功率，还可提高工作频率。鉴于这些优点，SiGe已被支持蓝牙技术的头戴式耳机这样的要求极低功耗的用途所选用。而且，与纯硅材料或GaAs相比，SiGe还能够在非常宽的温度范围内实现稳定的工作特性。

　　除了以上优点之外，只要给标准的CMOS工艺增加4道工序，或给标准的双极型工艺增加5道工序，或给标准的Bi-CMOS工艺增加1道工序，就可使SiGe工艺兼有高速双极型工艺和CMOS工艺两者的功能，从而获得对高度集成化的RF、基带和数字功能提供支持的工艺技术（图2）。

　　　　图２：蓝牙RF芯片的SiGe和CMOS工艺
　　再者，在经济性方面，由于这样能够事业使用现有的批量生产用硅制造设备，因此可降低芯片成本。集成度的提高有利于减少元件的数量、压缩电路板的占用空间并进而缓解对整机形状的种种限制，再加上芯片成本的下降，所有这些对于蓝牙消费类设备这种对成本因素极为重视的用途来说是至关重要的。

　　对于SiGe而言，需要注意的是其集电极-基极击穿电压较低，只有4V（标准值）。因此，在使用电源时应将电压限制在这一数值以下。SiGe的制造成本比硅高10%～30%，而比砷化镓（GaAs）低30%。

制造工艺

　　用硅来生长外延层有两种方法，一种是分子束外延（MBE），需要10-12大气压力以下的容器压力;另一种是化学汽相淀积（CVD），它利用了使所需的硅及锗原子相结合的气体分子。不过，这两种方法都需要把硅基片加热至1100℃以上的高温，这就会在SiGe材料中产生应力，并生成许多缺陷。而且，适于这种高温条件的掺杂物的正确配置也比较困难。
新型的UHV/CVD（特高真空/化学汽相淀积）法只采用10-6大气压力的容器压力，这种方法不需要把材料加热到那么高的温度，生成的缺陷也有所减少，并能够正确配置掺杂物。

材料特性

　　表1列出了硅和锗的电子迁移率和空穴迁移率。在适当的环境条件下使硅与锗相结合，

　　电子迁移率将变成硅的两倍左右，由此可把工作频率进一步提高，并可实现2GHz以上的（包括蓝牙技术采用的2.4GHz频段）片上无线功能的集成。
表１：硅和锗的电子迁移率和空穴迁移率

　　为了提高RF性能，普通的SiGe电路使用的是固有电阻最高达20Ωcm的硅基片。SiGe NPN晶体管的基极层一般最多掺杂有3×108cm-3的硼，硅发射极一般最多掺杂有5×1020cm-3的砷，而集电极则掺杂有2×1016cm-3～5×1017cm-3的磷（表2）。
表2：SiGeNPN晶体管掺杂质

　　SiGe在热传导和低泄漏电流方面同样具有优良的特性，其中，优良的热传导特性有益于功率放大器的设计，而低泄漏电流特性则有助于实现包括片上校准（On-Chip Calibration）和电功率管理（Power Management）等逻辑功能的集成在内的模拟/数字混合电路的设计。利用这些功能可构筑蓝牙RF IC等复杂的半导体系统。

器件特性

　　采用0.3μm SiGe Bi-CMOS工艺制造的双极型晶体管其发射极的宽度通常为0.25μm，

　　而CMOS晶体管的栅极宽度一般为0.35μm。利用具有清晰掺杂形状且寄生电容较小的自对准（self-alignment）SiGe双极型构造，可实现50GHz的截止频率fT及70GHz的最大振荡频率fmax，这与纯硅材料的截止频率和最大振荡频率相差不大（见表3）。

　　利用SiGe双极型异质结，可使用进行少量掺杂的发射极层（图3）。这样能够大幅度地减小基极-发射极之间的电容CJE，并由此在低电流密度条件下实现高速度和高增益。此外，还能够进行诸如蓝牙技术应用所需要的高频、低功率设计。

　　与硅双极型晶体管相比，采用SiGe异质结能够实现低基极电阻、高电流增益和高器件传输频率（Device Transmission Frequency）。这样就不会降低发射极效率，并获得高增益（2GHz时β>100）和低噪声值（2GHz时NF<0.8dB）。利用高电流增益，可增加放大器输入部分的输入电阻，这不仅能够实现发射机和接收机所使用的频率合成器，而且对集成接收机中的低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）的设计也是有用的。
图3：晶体管的构造
　　由于基极的掺杂浓度较高，使得根据基极-集电极电压进行的基极宽度调整变得不明确。结果，与硅双极型晶体管相比，初始电压变高。这样一来，可以增加放大器部分的输出阻抗，并获得非常稳定的电流源。这种相对天线负载阻抗变化的稳定性对于重要的集成发射机的功率放大器设计来说是十分有益的。

元件特性

　　无需对工艺做大的改动，即可把螺线感应线圈集成到SiGe双极型工艺中。利用螺线感

　　应线圈一般可获得Q值为7～15的0.15～80nH的电感。为了获得最大的Q值，需要尽可能地减小感应线圈截面积的掺杂浓度。而且，感应线圈的截面积对于任意频率下的Q值的优化也是非常重要的参数。

　　SiGe的MOS电容通常可获得20/f（GHz）/C（pF）的Q值，MIM（金属-绝缘体-金属）电容最高可获得80/f（GHz）/C（pF）的Q值，而具有40%调谐范围（Tuning Range）的变容二极管则可获得70/f（GHz）/C（pF）的Q值。

　　通过把具有适当Q值的感应线圈、电容及变容二极管形成于芯片上的方法，可实现压控振荡器（VCO）的集成，从而对全部的无线功能提供支持。

　　SiGe材料、器件及元件所具有的优良特性，特别是可采用低电流、低功率工艺来实现的RF电路与基带电路的集成以及DSP内核与存储块的集成，对于蓝牙技术是极富吸引力的。如果再与能够提供优越性能的电路结构相结合，SiGe的优点将更加突出。

　　可以预计，在未来无线通信市场（其中自然包括蓝牙产品）上，人们会越来越多地采用功耗低并具有较高设计自由度的SiGe器件。