Основные проблемы современной аналоговой микросхемотехники

реферат

2. Базовые технологии и их ограничения

В настоящее время доминирующим направлением остается кремниевая КМОП-технология со свойственными ей преимуществами и недостатками. В первую очередь по этой причине достаточно сложно в едином технологическом цикле изготовить качественные активные компоненты для аналоговой и дискретно-аналоговой обработки сигналов, а дальнейшее ужесточение технологических норм существенно ухудшает не только их малосигнальные параметры, но еще более усложняет процедуру тестирования системы в целом. Именно поэтому увеличение числа аналоговых входов (портов ввода) осуществляется практически всегда за счет мультиплексирования и повышения производительности встроенного АЦП. Однако номенклатура аналоговых узлов, необходимых для решения практических задач, остается достаточно большой. Так, в состав СБИС микроконверторов входят указанные выше мультиплексор и АЦП, коммутируемый источник опорного напряжения для согласования максимального входного напряжения с АЦП, датчик температуры, косвенно обеспечивающий учет температурной погрешности преобразования физических величин, компаратор, блок ФАПЧ, а также набор ЦАП. В этой связи прецизионное масштабирование и ограничение спектра входных сигналов должно либо выполняться в аналоговых датчиках, либо приходится, пусть и в ограниченном виде, возвращаться к мини-системе. Характерной чертой таких систем является достаточно большая, в основном определяемая аналоговой частью потребляемая мощность. Аналогичный вывод справедлив и для аналоговых микроконтроллеров, в которых взамен блоков ФАПЧ и компараторов включены простейшие, совместимые с 10-разрядной шиной АЦП, инструментальный усилитель и фильтр нижних частот (подключается внешний частотозадающий конденсатор). Иногда параметры этих устройств инициализируются пользователем. Отсутствие качественных аналоговых портов ввода с прецизионным преобразованием сигналов аналоговых датчиков и сенсорных датчиков связано с жестким ограничением на число аналоговых компонентов кристалла. Здесь доминирующими факторами остаются потребляемая мощность и геометрия аналогового транзистора. В силу этих и других не менее важных для точности вычисления факторов практически всегда применяется режим разделения времени преобразования и основного вычисления.

Кремниево-германиевая (SiGe) БиКМОП технология занимает лидирующие позиции в области изготовления СБИС для цифровой обработки сигналов, телекоммуникационных систем и многих других важных практических приложений, что обусловлено простотой интеграции в стандартный КМОП процесс, относительно низкой стоимостью производства, боль-шим процентом выхода годных и высоким быстродействием приборов [86]. Крупнейшие компании, такие как IBM, Daimler-Benz, Phillips, Hitachi, сегодня разрабатывают и производят интегральные схемы, основным компонентом которых являются быстродействующие SiGe биполярные транзисторы, с граничными частотами 100 ГГц. Так, компанией IBM было показано, что граничная частота SiGe биполярных транзисторов с гетеропереходом может достигать 210 ГГц. С развитием технологии Si1-xGex-сплавов появилась возможность создания быстродействующих МОП транзисторов с SiGe/Si каналом, что в перспективе позволит создавать на их основе быстродействующие КМОП микромощные схемы с граничными частотами 40-50 ГГц [6].

Важную роль в современной микроэлектронике играют высокотемпературные силовые элементы и преобразователи на базе карбида кремния. Несмотря на значительные инвестиции в этом направлении федеральными правительствами и фирмами ряда стран, ожидаемого результата получить не удалось. Характерные для этого случая зонные процессы приводят к недостаточному качеству малосигнальных параметров приборов.

Результаты отечественных и зарубежных исследований показывают [8], что для создания высоконадежных аналого-цифровых КМОП БИС, для случаев, когда требуются повышенная радиационная стойкость и температурная стабильность, весьма эффективно использование технологии «кремний на изоляторе» (КНИ). По сравнению с традиционной КМОП технологией на объемном кремнии технология КНИ обладает целым рядом важных преимуществ.

Для цифровых КМОП схем эти преимущества можно сформулировать следующим образом [8]:

- очень хорошая изоляция элементов друг от друга и очень малые токи утечки;

- меньшая площадь КМОП КНИ элемента по сравнению с элементом, изготовленным по «объемной» технологии (при отсутствии контакта к подложке);

- меньшие емкости переходов, повышенные частоты работы схем, меньшая потребляемая мощность.

Для аналого-цифровых КМОП схем КНИ технология обеспечивает ряд дополнительных преимуществ [8]:

- высокое качество изоляции цифровых и аналоговых блоков в смешанных АЦ системах на кристалле;

- возможность создания на КНИ подложках высококачественных пассивных R, С, L-элементов;

- меньшие потери переменной мощности в радиочастотном и СВЧ диапазонах;

- большая крутизна ВАХ приборов в области малых токов по сравнению с приборами, выполненными по «объемной» технологии.

Использование технологии «кремний на изоляторе» позволяет повысить верхний диапазон рабочих температур ИС до 200 °С.

субмикронный микросхема блок кристалл

Делись добром ;)