Создание специализированных аналоговых микросхем. Часть 2


Главная » Статьи » Создание специализированных аналоговых микросхем. Часть 2
УДК 621.3.049.77

 

О.В. Дворников, главный научный сотрудник,

В.Л. Дятлов, младший научный сотрудник

ОАО «МНИПИ», 220113, Беларусь, г. Минск, ул. Я. Коласа, 73,
e-mail: Oleg_Dvornikov@tut.by

В.А. Чеховский, старший научный сотрудник

ННУЦ ФЧВЭ БГУ, 220088, Беларусь, г. Минск, ул. Первомайская, 18

 

Создание специализированных аналоговых микросхем – перспективное направление обеспечения конкурентоспособности радиоэлектронной аппаратуры. Часть 2. Итоги выполнения концепция развития аналоговых микросхем и планы

 

Аналоговые ИС, разработанные в ОАО «МНИПИ»

В ходе реализации концепции за последние пять лет в ОАО «МНИПИ» разработан и изготовлен ряд аналоговых ИС [1-7]:

- одно и двухканальные трансимпедансные усилители (ТИУ) с различной полосой пропускания и отличающимся коэффициентом преобразования входного тока в выходное напряжение (МН1УП100, МН1УП110, МН1УП120, МН1УП130, МН1УП140);

- двухканальные компараторы (МН1CA100, МН1CA110);

- одно и двухканальные ТИУ с компараторами (МН1ХА100, МН1ХА110, МН1ХА120, МН1ХА130, МН1ХА140, МН1ХА150);

- сверхбыстродействующий компаратор, триггер Шмитта, коммутатор (МН1АФ011);

- сверхбыстродействующий компаратор, фильтр нижних частот (МН1АФ020);

- двухканальный суммирующий широкополосный коммутатор (МН1КН009);

- многофункциональная аналоговая ИС, содержащая два ОУ с компенсацией входного тока и инструментальный усилитель на трех ОУ (МН1ХА010);

- многофункциональная аналоговая ИС, содержащая два усилителя напряжения с головным p-ПТП и инструментальный усилитель на трех ОУ (МН1ХА020);

- многофункциональная аналоговая ИС, содержащая два усилителя напряжения с головным p-ПТП, два предварительных усилителя для работы с внешним n-ПТП и три ОУ c резистором 9,2 кОм в цепи отрицательной обратной связи (МН1ХА030);

- многофункциональная аналоговая ИС, содержащая четыре ОУ, один из которых - с компенсацией входного тока (МН1ХА051).

Высокую радиационную стойкость созданных микросхем подтвердили результаты испытаний, выполненные для некоторых из них (рис. 1 - 5) [8, 9].

а) для МН1ХА150

б) для МН1ХА130

Рис.1 – Зависимость амплитуды напряжения на выходах (VAMP+ и VAMP-) ТИУ от входного тока (IIN) при различной величине поглощенной дозы

Рис.2 – Зависимость амплитуды напряжения на выходах (VAMP+ и VAMP-) ТИУ МН1ХА150 от входного тока (IIN) при различной величине интегрального потока электронов с энергией 4МэВ

Рис.3 – Длительность фронта спада сигнала на неинвертирующем выходе ТИУ МН1ХА150 (tF+) в зависимости от входного тока (IIN) при различной величине интегрального потока электронов с энергией 4МэВ

 

 

 

а) задержка переключения

б) длительность фронта нарастания

 

 

Рис.4 – Зависимость параметров компаратора МН1ХА150 от поглощенной дозы гамма-излучения при различном превышении порога (VOD)

 

 

 

 

а) задержка переключения

б) длительность фронта нарастания

 

 

Рис.5 – Зависимость параметров компаратора МН1ХА150 от интегрального потока электронов с энергией 4МэВ при различном превышении порога (VOD)

 

 

Структура и основные характеристики «АБМК-1.3»

Разработанный радиационно-стойкий базовый матричный кристалл «АБМК-1.3» показан на рис.6. Он содержит 8 макроячеек, показанных на рис. 7. По периметру БМК расположены многофункциональные контактные площадки, которые используются для соединения кристалла проводниками с траверсами корпуса или в качестве элементов ИС: PAD2Q – два многоэммиттерных малощумящих n-p-n-транзистора с сопротивлением базовой области менее 35 Ом; PADJ – малошумящий p-ПТП; PADJDG – два двухзатворных p-ПТП; PADC – МОП- конденсатор с номиналом 2,3 пФ, допускающий использование в схеме паразитной емкости полупроводниковой обкладки.

Каждая макроячейка включает один изолированный карман, в котором размещены резисторы с номиналом от 650 Ом до 15,1 кОм, выполненные на слое р-базы, и низкоомные резисторы с сопротивлением 70 Ом, сформированные на слое n+-глубокого коллектора; маломощные n-p-n-транзисторы (NPNC) для источников стабильного тока; МОП- конденсаторы с емкостью 0,91 пФ; функционально-интегрированные элементы (PNPJF), представляющие собой каскодное соединение p-n-p-транзистора и p-ПТП; два n-p-n- транзистора с объединенными коллекторами (ячейки Джильберта – GC); 4-слойные полупроводниковые структуры (TW), позволяющие с помощью различного выполнения межсоединений областей получить двухэмиттерный n-p-n- или p-n-p-транзистор. Макроячейка окружена охранным кольцом для устранения взаимодействия через подложку разных блоков.

Количество активных элементов в макроячейке выбрано из условия получения четырех дифференциальных каскадов на n-p-n-транзисторах с активной нагрузкой на p-n-p-транзисторах или p-ПТП. Элементы TW двух макроячеек расположены на кристалле максимально близко, что позволяет их применять для получения источников напряжения и тока, устанавливающих рабочий режим ИС. Общие характеристики «АБМК-1.3» и входящих в него элементов приведены в таблице.

Таблица. Общие характеристики «АБМК-1.3»

Размер кристалла, мм

3,6х2,7

Технология изготовления

БиПТП

Корпус

Н16.48-1В

Количество элементов

PNPJF (каскодное соединение p-n-p и p-ПТП)

128

GC (два n-p-n с объединенными коллекторами)

128

NPNC (n-p-n)

32

TW (двухэмиттерный n-p-n- или p-n-p)

48

PAD2Q (два малощумящих n-p-n)

24

PADJDG (два двухзатворных p-ПТП)

4

PADJ (малощумящий p-ПТП)

24

Суммарное сопротивление всех резисторов (БМК/макроячейка), МОм

5,264/0,658

Суммарная емкость всех конденсаторов (БМК/макроячейка), пФ

62,24/7,28

Рис. 6 – Упрощенный чертеж топологии «АБМК-1.3»

Рис. 7 – Упрощенный чертеж макроячейки «АБМК-1.3»

Особенности проектирования радиационно-стойких и низкотемпературных аналоговых микросхем

С нашей точки зрения, «бездефектное» проектирования аналоговых ИС возможно только при наличии моделей активных и пассивных элементов, адекватно описывающих изменение вольтамперных характеристик (ВАХ) при воздействии проникающей радиации и температуры в требуемых диапазонах.

Такие модели были разработаны и апробированы при облучении транзисторов «АБМК-1.3» гамма- квантами 60Со и «быстрыми» электронами с энергией 4 МэВ. Разработаны методики, позволяющие сопоставить изменение ВАХ при воздействиях «быстрых» электронов и нейтронов [8-11].

На рис. 8-11 приведены примеры моделирования зависимости статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером (BETA) от эмиттерного тока (IE) для транзисторов, изготовленных по разным технологиям.

Рис. 8 – Зависимость BETA от эмиттерного тока для транзистора типа 2N КБТ-техмаршрута

Рис. 9 – Зависимость BETA от эмиттерного тока для транзистора типа 2GC БиПТП-техмаршрута

Рис. 10 – Зависимость BETA от эмиттерного тока для транзистора типа 2P КБТ-техмаршрута

Рис. 11 – Зависимость BETA от эмиттерного тока для транзистора типа PnpJFpnp БиПТП-техмаршрута

На основе экспериментальных данных о радиационном изменении параметров интегральных транзисторов и опыта проектирования аналоговых ИС, малочувствительных к воздействию внешних дестабилизирующих факторов (помех, температуры и др.), сформулированы основные правила схемотехнического синтеза микросхем с повышенным уровнем радиационной стойкости [12].

Так, для обеспечения среднего уровня радиационной стойкости, ориентировочно для интегрального потока нейтронов величиной до 1013 н/см2 и поглощенной дозы гамма-излучения до 300 крад, допустимо применение упрощенного подхода к проектированию биполярных аналоговых ИС, а именно:

- использование дифференциальной структуры микросхем;

- максимальное увеличение плотности эмиттерного тока до границы наступления эффектов высокого уровня инжекции;

- использование горизонтальных p-n-p- транзисторов только в источниках тока или в схемах с общей базой, в которых деградация при радиационном воздействии коэффициента передачи тока BETA слабо влияет на малосигнальные параметры аналоговых ИС;

- формирование резисторов на сильнолегированных полупроводниковых слоях;

- схемотехническая доработка - моделирование аналоговых ИС, выявление каскадов наиболее чувствительных к воздействию проникающей радиации и их модернизация (введение цепей компенсации входных токов, стабилизация режима работы с помощью отрицательной обратной связи, уменьшение радиационного изменения напряжения смещения нуля, применение новых методов построения многофункциональных аналоговых компонентов).

Аналоговые ИС с высоким уровнем радиационной стойкости, обеспечивающим работоспособность при потоке нейтронов более 1013 н/см2 и поглощенной дозе более 300 крад, целесообразно проектировать на вертикальных n-p-n БТ с тонкой базовой областью (высокой граничной частотой) и p-ПТП. Малые радиационные изменения параметров указанных активных элементов, достигаемые при высокой плотности эмиттерного тока в n-p-n БТ и применении сильнолегированного канала в p-ПТП, обуславливают незначительное ухудшение характеристик аналоговых микросхем. В то же время при схемотехническом синтезе биполярных микросхем с высоким уровнем радиационной стойкости рекомендуется применение следующих правил:

1. В качестве критерия качества при схемотехнической оптимизации следует выбирать минимальное изменение приоритетного параметра ИС при радиационном воздействии (например, для быстродействующего ОУ – скорости нарастания выходного напряжения, для прецизионного – напряжения смещения или уровня шумов).

2. Не применять для усиления горизонтальные p-n-p-транзисторы, заменять их p-ПТП.

3. Источники вытекающего тока следует выполнять на p-ПТП, а втекающего – на n-p-n-транзисторах.

4. Для двухкаскадного ОУ входной дифференциальный каскад рекомендуется выполнять на: n-p-n-транзисторах с источником втекающего тока; p-ПТП с источником вытекающего тока; комбинации n-p-n- и p-ПТП с перекрестными связями (ток в плечах дифференциального каскада определяется напряжением затвор-исток p-ПТП).

5. Промежуточный каскад ОУ может быть реализован на: n-p-n-транзисторах, если дифференциальный каскад выполнен с использованием p-ПТП; симметричном «перегнутом каскоде» с использованием p-ПТП; несимметричном «перегнутом каскоде» с использованием p-ПТП.

6. Выходной каскад должен быть выполнен по схеме двухтактного повторителя напряжения с использование комбинации p-ПТП и n-p-n-транзисторов.

Оценка возможности проектирования низкотемпературных аналоговых микросхем проводилась на основе изучения научно-технической информации, возможностей базового предприятия по изготовлению полупроводниковых пластин (ОАО Интеграл), а также результатов измерений транзисторов «АБМК-1.3» при температуре жидкого азота.

Проведенный анализ позволил установить:

1. При температуре жидкого азота BETA всех БТ упал до величины менее 2, что исключает возможность разработки усилительных схем.

2. Крутизна p-ПТП увеличивается до температуры минус 100С, начинает уменьшаться при температурах менее минус 120С (рис. 12, 13), а при температуре жидкого азота незначительно меньше, чем при нормальных условиях (25С).

Рис. 12 – Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток p-ПТП типа PADJ при разных температурах

Рис. 13 – Зависимость крутизны от напряжения затвор-исток p-ПТП типа PADJ при разных температурах

3. Из литературных источников известны направления модернизации структуры элементов для обеспечения высокого BETA БТ при крайне низких температурах. Такую доработку технологии принципиально возможно выполнить на ОАО «Интеграл», но они потребуют больших материальных затрат и окупятся только при большой потребности в нихкотемпературных ИС.

4. Известны схемы усилителей напряжения на одних p-ПТП.

Таким образом, изготовление низкотемпературных аналоговых схем возможно с использованием существующего БиПТП технологического маршрута, но требует проектирование схем только на p-ПТП.

 

КБТ – технологический маршрут

Как указывалось ранее, для реализации аналоговых устройств с повышенным быстродействием и радиационной стойкостью начаты работы по созданию нового технологического маршрута, обеспечивающего формирование на одной пластине комплементарных высокочастотных БТ и p-ПТП. Типовая структура элементов, формируемых по КБТ- техмаршруту, показана на рис. 14

Рис. 14 – Типовая структура элементов, формируемых по КБТ- техмаршруту

 

Новый техмаршрут должен обеспечить получение следующих интегральных элементов и их параметров:

1) n-p-n- транзистор, fTMAX > 3 ГГц, BETA > 70, VAF > 80 В, BVCEO >10 В;

2) p-n-p- транзистор, fTMAX > 3 ГГц, BETA > 60, VAF > 40 В, BVCEO >10 В;

3) p-ПТП минимальных размеров, напряжение отсечки 1,0 В < VTH < 2,0 В, прибивное напряжение исток-сток BVSD >10 В;

4) резисторы с удельным сопротивлением слоя (RS), равным 500 Ом/квадрат;

5) низкоомные резисторы, RS = 150 Ом/квадрат;

6) 2 уровня межсоединений.

При необходимости, в технологический маршрут могут быть добавлены блоки формирования:

7) высокоомных резисторов с RS = 1,5 кОм/квадрат;

8) конденсаторов с удельной емкостью 0,5 фФ/мкм2.

Первые образцы микросхем, изготовленных по КБТ- техмаршруту, планируется получить в 4 кв. 2014 г.

 

Новые средства проектирования полузаказных аналоговых микросхем

Для КБТ- техмаршрута в настоящее время разрабатывается новый БМК и БСК.

Создаваемый БМК имеет ряд отличий от «АБМК-1.3», а именно:

1) В нем не будут применяться функционально-интегрированные элементы, которые сводят на нет основное преимущество нового техмаршрута – высокую граничную частоту БТ.

2) Для реализации дифференциальных каскадов с каскодным включением входных и нагрузочных транзисторов увеличено число активных элементов.

3) Все БТ имеют два контакта к коллекторной области.

4) Мощные транзисторы и конденсаторы расположены по периферии макроячейки и под контактными площадками.

5) Номиналы резисторов увеличены приблизительно в 2 раза по сравнению с «АБМК-1.3», т.к. fTMAX транзисторов, формируемых на новом техмаршруте, достигается при коллекторном токе в 2 раза меньшем.

6) Длина и ширина резисторов выбрана таким образом, чтобы между головками резисторов можно было провести не менее двух межсоединений с минимальным шагом.

7) Для увеличения количества контактных площадок, расположенных по периметру кристалла, их форма выполнена в виде прямоугольника.

В БСК планируется применять конфигурируемые аналоговые блоки (КАБ) [13]. КАБ должен обеспечить возможность изменения структуры аналоговой ИС путем изменения межуровненых контактов и второго уровня межсоединений и программирования параметров – варьированием рабочими токами транзисторов и номиналами RC- цепей.

В настоящий момент на изготовлении находятся два блока: CAB-1 - с входными БТ и CAB-4 с входными p-ПТП.

В качестве примера на рис. 15, 16 приведены электрическая схема входного каскада и упрощенная схема ОУ на основе CAB-1

Рис. 15 - Электрическая схема входного каскада CAB-1

Рис. 16 - Упрощенная схема ОУ на основе CAB-1

Изменение межсоединений внутри CAB-1 позволяет получить различные аналоговые устройства: повторитель напряжения; аналоговый мультиплексор 2:1; аналоговый мультиплексор 2:1 с повышенной нагрузочной способностью; преобразователь напряжение-ток с различным коэффициентом преобразования и допустимым входным сигналом, моно- и биполярным выходным сигналом; OTA- усилитель; ОУ; мультидифференциальный ОУ.

 

Заключение

На основе анализа рынка микроэлектронных изделий России и Беларуси, возможностей предприятий Беларуси по разработке и изготовлению микросхем, способов реализации аналоговых микросхем выработана концепция развития специализированных аналоговых ИС в ОАО «МНИПИ».

Рассмотрены итоги реализации концепции, в том числе: аналоговые ИС, разработанные в ОАО «МНИПИ»; структура и основные характеристики базового матричного кристалла «АБМК-1.3»; возможности проектирования радиационно-стойких и низкотемпературных аналоговых микросхем, - а также показаны направления дальнейших работ: создание нового технологического маршрута и новых средств проектирования полузаказных аналоговых микросхем (базового матричного и базового структурного кристаллов).

 

Литература

1. Дворников, О.В. Элементная база нового поколения радиоизмерительной техники / О.В. Дворников//Компоненты и технологии. – 2004. – № 6. – С. 58–63

2. Полузаказная интегральная микросхема трансимпедансного усилителя-дискриминатора для газоразрядных детекторов / Г.Д. Алексеев, М.А. Батурицкий, Ю.И. Давыдов, О.В. Дворников, А.А. Пискун, А.В. Терлецкий, В.В. Токменин, В.А. Чеховский, Ю.Ф. Шульгевич // Вестник Фонда фундаментальных исследований. – 2010. – No.1(51). – С. 24-34.

3. Дворников, О. Широкополосный суммирующий коммутатор аналоговых сигналов / О. Дворников, В.Чеховский // Современная электроника. – 2011. – № 2. – С. 18–21.

4. Дворников, О. Универсальная аналоговая микросхема для датчиков космической аппаратуры / О. Дворников, В.Чеховский, В.Дятлов // Современная электроника. – 2011. – № 3. – С. 56–65.

5. Микросхема многоканального операционного усилителя и электрометрического повторителя на радиационно-стойком базовом матричном кристалле «АБМК-1.3» [Электронный ресурс] / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Н.Н. Прокопенко, Е.И. Старченко // Инженерный вестник Дона, 2013, № 1. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1557 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.

6. Комплект электронных устройств на базе полузаказных интегральных микросхем для регистрации импульсного видимого излучения малой интенсивности / Г.Д. Алексеев, К.Г. Афанасьев, М.А. Батурицкий, О.В. Дворников, И.Ф. Емельянчик, В.А. Михайлов, А.А. Пискун, А.А. Солин, А.В. Солин, В.В. Токменин, В.А. Чеховский // Вестник Фонда фундаментальных исследований. – 2013. – No.1(63). – С. 88-100.

7. Дворников, О.В. Интегральная микросхема для регистрации сигналов кремниевых фотоумножителей / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Н.Н. Прокопенко // Приборы и техника эксперимента. – 2014. – № 1. - С. 66–71

8. Дворников, О.В. Влияние гамма-излучения на элементы аналоговых интегральных схем / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Ю.В. Богатырев, С.Б. Ластовский // Доклады БГУИР. -2012. - №3 (65). – С. 56-62.

9. Дворников, О.В. Обеспечение радиационной стойкости аналоговых интегральных схем / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Ю.В. Богатырев, С.Б. Ластовский // Доклады БГУИР. -2012. - №4 (66). – С. 105-110.

10. Дворников, О.В. Комплексный подход к проектированию радиационностойких аналоговых микросхем. Часть 1. Учет влияния проникающей радиации в “Spice-подобных” программах / О.В. Дворников, В.Н. Гришков // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2010. Сборник трудов IV Всероссийской научно-технической конференции / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. – М.: ИППМ РАН, 2010. – С. 301-306.

11. Прогнозирование стойкости биполярных микросхем к различным видам проникающих излучений / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов, Ю.В. Богатырев, С.Б. Ластовский // Материалы 23-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 8-13 сент. 2013 г.). Т. 2. –С. 925-927

12. Дворников, О.В. Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем. Часть 2. Базовые схемотехнические решения АБМК 1-3 / О.В. Дворников // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2010. Сборник трудов IV Всероссийской научно-технической конференции / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. – М.: ИППМ РАН, 2010. – С. 283-288.

13. Дворников, О.В. Конфигурируемые аналоговые блоки. Часть 1. Радиационно-стойкие микросхемы / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л.  Дятлов, Н.Н. Прокопенко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: материалы X Международного научно-практического семинара, 1-2 окт. 2013 г., Шахты / гл ред. Н.Н. Прокопенко. – Шахты: ИСОиП ФГБОУ ВПО «ДГТУ», 2013. – Ч.1. - 2013. – С. 219-230.



Версия для печатиВерсия для печати