砷化鎵PA是CMOS工藝通向“單芯片手機”之路上的最后堡壘。這個堡壘并不易攻克，因為CMOS PA的性能比不上砷化鎵PA，而提高性能帶來的成本增加則會讓CMOS PA失去成本優勢。

在基帶、電源管理和射頻收發等關鍵器件相繼被CMOS工藝集成后，采用砷化鎵工藝的功率放大器（PA），成為CMOS工藝通向真正的“單芯片手機”的最后堡壘。多家初創公司一直致力用CMOS PA替代砷化鎵PA，其中AXIOM已經在2G手機上實現了千萬級的出貨量，而Javelin也宣稱今年6月份將量產CMOS工藝的3G PA。

但和初創公司的高調相比，RFMD、Anadigics和英飛凌等現有供應商仍對CMOS PA持懷疑態度，認為CMOS PA很難在成本和性能上取得平衡，即使是收購了AXIOM的Skyworks也認為CMOS PA在3G和4G等高端應用市場空間有限。而SiGe半導體等公司則在走中間路線，認為取代砷化鎵功放的將是SiGe BiCOMS工藝，而不是CMOS工藝。

成本和性能難以平衡，CMOS PA限于2G市場

眾所周知，因為符合摩爾定律，CMOS工藝的優勢是低成本、低功耗和高集成度等，從某種意義上來說，半導體技術發展的歷史就是CMOS工藝進步的歷史。Javelin公司的CEO Brad Fluke表示：“歷史證明，一旦可以基本滿足某項應用所需的性能，那么在和其它工藝的競爭中，CMOS工藝總是勝利者。”

問題是，目前CMOS PA仍然難以在成本和性能間取得平衡，CMOS PA既達不到砷化鎵功放的性能，成本優勢也并非絕對。

一方面，雖然CMOS晶圓比砷化鎵晶圓便宜很多，但CMOS功放的面積比砷化鎵功放大，最終單個器件的成本優勢并不像想象的那么明顯。目前6英寸GaAs晶圓可以產出大約為5，000～10，000片功放，而8英寸硅晶圓可以產出的功放數量要比這個數目少的多。這是由于CMOS器件本身的特性決定的。RFMD公司的專家表示：“在CMOS 器件中，電流是沿著晶片表面橫向流動的水平電流，而砷化鎵HBT工藝器件，電流流動是縱向流動的垂直電流。所以砷化鎵功放可以做到比CMOS功放小50%到70%?！?/p>

另一方面，從功放應用看，相對于CMOS器件，砷化鎵器件有物理材料上的優勢。雖然CMOS器件這方面的缺陷可以用更復雜的設計來彌補，但是這樣一來，會大幅提高成本。比如絕緣硅（SOI）技術在射頻領域中的應用。相比體硅基板上的CMOS晶體管，SOI技術提升了電子遷移率，有助于緩解大功率、高效率CMOS 功放制造中的一些問題。但CMOS SOI晶圓的成本遠遠高于常見模擬/混合信號CMOS工藝技術的成本。因此在3G/4G應用中，CMOS的成本優勢會更小，因為更高性能要求采用更復雜、昂貴的架構設計。

對此，深圳廣迪克科技有限公司總經理徐杰表示：“如果采用同樣的工藝節點，CMOS PA能應用的頻率比砷化鎵PA要低得多。”作為新興的射頻PA供應商，廣迪克的砷化鎵PA已經開始大量出貨，據稱在效率、最高功率等方面都達到了國際同類產品的水平。為了把握PA的技術發展趨勢，2009年末徐杰專程前往美國考察CMOS PA技術發展情況，得出的結論是近期CMOS PA不會成為主流，因此更堅定了開發砷化鎵PA的決心。

因此，在2G手機等低端應用中，由于對線性度、頻率、擊穿電壓、峰值電流、效率的要求相對較低，不需要CMOS PA采用太過復雜、昂貴的設計，因為成本優勢，未來CMOS PA的市場份額可能持續擴大，但在3G/4G等高端應用中，受限于性能和復雜設計的成本提升，CMOS PA近期不會大規模取代砷化鎵功放。

圖：2008年全球砷化鎵PA供應商排名

這從Skyworks已經售出總量超過 2，500 萬顆的GPRS應用 CMOS功放中就可見一斑。Skyworks的市場總監Thomas表示：“在對性能不十分苛求的市場領域，CMOS PA的合理成本已經使其在 GPRS 應用上極具競爭力，成為 GaAs功放的替代產品，我們相信，這種趨勢還將持續下去?！?/p>

但Thomas也坦承，在3G/4G應用上，砷化鎵依然具有顯著的性能優勢，CMOS的成本優勢也不再明顯，因此在這些無線技術領域，CMOS PA的市場占有率不會有大幅提升。

例如在WCDMA應用中，大電流持續時間較長，電流達到400-500mA，而目前2G應用中的CMOS功放，電流超過300mA就無法承受。當然可以通過更復雜的架構設計提高CMOS功放的性能，但復雜的設計意味著更高的價格。

這些性能挑戰是由CMOS晶體管本身的物理結構所決定的。對于CMOS功放，要提高效率，需要較小的晶體管；而要增大功率，又需要較大的晶體管，這是一個難以調和的矛盾。SiGe公司亞太區市場總監高國洪表示：“CMOS功放由于輸出阻抗極低，又很難建立50歐姆負載的帶寬匹配，因此 CMOS 功放輸出級的“穩健性”（耐受天線阻抗大幅改變的能力）不太好。為了增強互聯網接入能力，增加使用iPhone等智能電話時的多媒體性能，手機網絡不斷提高工作頻率和帶寬，CMOS 功放因此面臨著越來越嚴峻的挑戰?！?/p>

CMOS帶來的“單芯片手機”夢想和現實