MMIC用于大多数涉及发送和吸收微波旗子暗记的运用，范围从低至千兆赫（GHz）的蜂窝移动电话，无线局域网（WLAN）和环球定位系统（GPS）吸收器到地球不雅观测辐射计和安全扫描仪等运用所利用数百千兆赫结束。它们在光纤，卫星通信和点对点链路中运用于通信行业;汽车行业内的识别，道路交通信息和巡航掌握系统;在军事工业中的电子战，导弹导引头和相控阵雷达系统中。
由于它们的单片性子，MMIC被制造为半导体材料的全体晶片的小部件。晶圆的加工包括在其表面形成微不雅观特色，因此所有的制造设备都须要安装在清洁室环境中，以防止灰尘和湿气影响这些特色。这每每使制造过程非常耗时且本钱高，并且常日在全体处理完成之前不能检讨电路是否具有精确功能。由于这些缘故原由，芯片的设计必须是首次就精确或在致力于制造工艺之提高行校正。由于MMIC工艺生产过程中设计阶段的主要性，我们旨在探索代工厂MMIC生产运行的整体背景下的MMIC设计，包括技能/代工厂选择，代工厂特性和组件单元的建模，仿真和电路的布局，以及工艺和测试方法的限定。同时我们的讲解将不会过于理论化，而是先容MMIC设计行业日常利用的MMIC设计技能和实践。
图1.1安装在氧化铝基板中的范例MMIC
1.2 MMIC的发展历史是MMIC用于系统运用中而不是其它替代技能如波导或稠浊氧化铝电路的缘故原由最好通过考虑当今MMIC技能的历史和发展来探究。
Jan Czochralski于1916年开拓了一种成长单晶的方法，迈向开拓单片电路的第一步，但当时电子行业并没有从真空阀器件转向固态技能，直到晶体管由Bell电话实验室于1947年发明。与真空阀门器件比较，晶体管更小巧，更高效，更可靠，互连量提高了一个数量级，使设计职员能够创建更繁芜的电路和系统。这种多样的互连带来了它自身的问题，由于焊接如此多的连接速率慢，本钱高，并且再次变得不可靠起来。这使电子工业寻求制造繁芜电路的经济可靠的方法。该问题的办理方案便是IC，由德州仪器公司的Jack Kilby于1959岁首年月次得到专利[Kilby，JS，“Miniaturized Electronic Circuits”，1959年2月提交的美国专利No.3,138,743，于1964年6月发布][Stewart，RF，“Integrated Semiconductor Circuit Device”，1959年2月提交的美国专利No.3,138,747，发布于1964年6月]。IC可以利用光刻法制造，这可以在几个良好掌握的工艺步骤中实现多种组件和将要印刷到单片半导体材料表面上的互连。顺便提一下，Kilby的第一个集成电路是由锗（Ge）制成的，而另一个工程师，Fairchild Semiconductor的Robert Noyce，于1961年4月得到了一项由硅（Si）制成的更繁芜的“单一电路(unitary circuit)”的专利 。
按照本日的标准，这些早期集成电路的速率很慢 - 例如，阿波罗太空船上的打算机只有2-MHz时钟速率 - 但IC中可以实现的额外繁芜性使单个芯片能够实行那时须要一台大型机电台式设备才能完成的数学打算任务。Kilby通过袖珍打算器的发明证明了这一点，它成为第一个利用IC的商业产品，并帮助推动了刚刚起步的硅IC家当的发展。
微波频率事情的首批硅IC之一（硅MMIC）是1966年开拓的X波段发射/吸收（Tx / Rx）开关，但插入损耗太高，无法在终极的系统中利用。在微波频率下，半导体上的旗子暗记波长变得与电路的尺寸相称，因此互连线必须设计为传输线，并且旗子暗记与半导体衬底材料的相互浸染更多。如果衬底的电阻率低，则传输线是有损耗的，并且所得到的电路具有过多的插入损耗。这些早期的硅MMIC遭受了所谓的逆温（ inversion）的影响，其表现为最初的高电阻率硅衬底在衬底上的其他组件经由高温处理之后表现出了低电阻率。当时硅晶体管可用于1至6 GHz之间的频率范围，但逆温（ inversion problem）问题阻碍了硅MMIC的进一步发展。一种方法是利用安装在单片电路上的诸如电容器和电感器之类的无源元件的芯片晶体管，成功地设计出明晰500MHz的中频（IF）放大器，但它并不是完备单片集成的办理方案。
同时，对其他半导体材料的兴趣正在增加，并且在1962年，液体封装的Czochralski（LEC， liquid-encapsulated Czochralski）方法被开拓用于成长在其熔点处具有高蒸气压的单晶材料。这最初运用于铅硒（PbSe）和铅碲（PbTe），正如砷化镓（GaAs）被认为是MMICs的得当衬底材料，LEC于1965年成功运用于生产稳定的高电阻率GaAs材料。同样在1965年，第一批GaAs场效应晶体管由Jim Turner在英国Caswell的Plessey Research 和在美国加州理工学院的CA Mead制造出来了。
特纳（Turner）的器件栅极长度为~24μm，能在非常高的频率（VHF）范围下表现出增益。1967年，GaAs场效应晶体管（FET）显示出在微波频率下事情的能力，Plessey生产了一个4μm栅极长度的GaAs金属半导体场效应晶体管（MESFET），在1 MHz时增益为10 dB 。这成为天下上第一个以Plessey GAT 1品牌出售的商用GaAs MESFET。1968年发布了第一个利用二极管和微带线的大略单片微波GaAs电路，并于1970年宣布出了GaAs FETs，这是第一次在微波频率上赛过硅晶体管。这种在稳定的高电阻率材料上生产高性能晶体管的能力使得GaAs成为MMIC在后来几十年景长的首选材料。
GaAs IC开拓正在加速发展，1976年，RS Pengelly和JA Turner 宣布了首个利用场效应晶体管的单片微波集成电路或MMIC，如图1.2所示。该MMIC采取单个1μm栅极长度MESFET和单个金属层形成单匝环路电感器和交叉指型电容器，在7至12 GHz范围内呈现出几dB（分贝）的增益，并推动了环球范围内GaAs MMIC行业的增长。
图1.2天下上第一个GaAs FET MMIC放大器
1979年，电气和电子工程师协会（IEEE）成立了首个专门用于GaAs IC开拓的协会，并且在1985年，当Plessey Caswell展示了在2英寸直径的GaAs晶圆上进行栅极长度0.7-μm-的MESFET MMIC工艺加工时，业界的乐不雅观感情被点燃了，GaAs IC的增长加速了。1985年也预示着是“带隙工程（band-gap engineering）”的时期，这是一种稠浊不同半导体材料以创造具有特定前辈特性晶体管的技能。这终极匆匆成了1988年高电子迁移率晶体管（HEMT，high-electron-mobility transistor）低噪声放大器（LNA）MMIC和1989年异质结双极晶体管（HBT，heterojunction bipolar transistor）功率放大器的出身。MMIC开拓路子的其他里程碑包括1990年涌现的磷化铟（InP）频段范围为5-100-GHz的行波放大器以及Plessey的商用0.2-μm栅长假晶HEMT（pHEMT ）器件的推出；有关MMIC历史和发展的更多信息可以在更多的其它材料中找到。
本日，在许多不同的半导体材料上存在MMIC工艺，个中晶体管在全体微波频率范围内表现出增益。硅MMIC也在利用传输线技能来战胜了衬底损耗问题，同时采取频率相应与GaAs相称的硅锗（SiGe）晶体管，这使硅MMIC得到了复兴。MMIC的未来看起来肯定会连续朝着更奇特的半导体材料和更繁芜的设计技能的方向发展，个中芯片的终极功能将仅受到工程师想象力的限定。
1.3 MMIC的上风为了总结MMIC开拓的历史，MMIC的涌现是由于它们将高性能微波晶体管与低损耗无源元件和传输线相结合，并且可以利用少量光刻工艺步骤形成具有多个互连的繁芜电路。
晶体管的微波频率相应还哀求它们的尺寸在微米量级上，这样得到的芯片尺寸只有几毫米，比同等的稠浊微波集成电路（MIC）小一个数量级。封装晶体管安装在氧化铝基板上MMIC的小尺寸也意味着它们的重量比它们的稠浊MIC等价物少一个数量级。MMIC的这两个特性使它们非常适用于移动电子例如移动手机电话和便携式打算机中运用，个中小型化和轻便有助于使这类产品更具有商业上风。
MMIC的可靠性虽然一贯是新型器件在新型半导体材料上的问题，但在Si和GaAs 上的可靠性已经得到了很好的理解，许多MMIC和MMIC工艺具有如此高的可靠性水平，它们已经适宜太空等空间运用。事实上，MMIC的坚固单片特性，以及它们的小尺寸和重量，使它们成为太空设备的必要组件。
它们的低本钱也是一个上风，由于它们的本钱是同等稠浊电路的三分之一，但这种上风在每种运用中并不总是很明确的。半导系统编制造设备的高运行本钱意味着批次处理晶片的本钱是昂贵的，并且如果用于制造少量芯片，则每个芯片都变得非常昂贵。只有在须要大量芯片时才能确保MMIC的低本钱上风，并且该设计可以产生高产量电路。我们将会供应实用技能，以帮助MMIC设计职员通过生产高产MMIC设计来保持本钱上风。
1.4 基本设计流程我们后面的文章将按照基本设计过程的顺序来排列，并且我们假设MMIC设计者拥有完全的需求规范并且完备可以自由选择MMIC工艺。
MMIC设计者必须做出的第一个选择是用于制造芯片的元件技能，例如衬底材料，晶体管类型和可用的无源元件。然后，这种选择将决定须要哪个铸造（代工）工艺（foundry process）。在此阶段，设计职员须要联系潜在的MMIC代工厂（foundry），谈论利用他们的工艺流程并得到有关其功能的更多详细信息。如果哀求是针对多种功能，那么考虑几个单功能芯片或一个更大的多功能MMIC之间的经济权衡也是一个好的出发点。与代工厂密切干系的另一个问题是它们支持的打算机赞助设计（CAD）仿真工具，并且可以为其供应MMIC组件的完全器件模型库。这个问题不仅包括它们是否支持某个特定公司的CAD 工具以及它们是否能够为CAD工具中所需的规格供应最得当的（例如非线性）模型。
当选择好代工厂并且设计师已经得到CAD工具和模型库时，下一步是实际的MMIC设计，这是我们将要讲解的紧张焦点。MMIC的设计和布局实际上是两部分独立的内容，但设计职员会创造，在设计阶段结束时，必须同时实行我们将要讲述的设计和布局不雅观点以实现紧凑和高产量的芯片设计。
在完成设计和布局之后，根据设计数据制造光刻掩模，并通过铸造清洁室制造工艺处理批次的晶片。然后在切割成单个芯片之前利用晶片上RF（RFOW）设备测试晶片，以完玉成部MMIC生产工艺过程。
