СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №4/2015

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2015 Создание низкотемпературных аналоговых ИС для обработки импульсных сигналов датчиков Часть 1 В статье приведены основные параметры интегральных схем, которые улучшаются при снижении температуры, и области применения низкотемпературных микросхем. Основное внимание уделено выбору конструктивно-технологического базиса аналоговых криогенных микросхем и минимизации отрицательных эффектов, возникающих при низких температурах. Олег Дворников, Владимир Чеховский, Валентин Дятлов (г. Минск, Беларусь), Николай Прокопенко (г. Шахты, Ростовская обл.) В ВЕДЕНИЕ Большинство серийно выпуска- емых ИС обеспечивает требуемый уровень параметров в диапазоне тем- ператур –40…+85 ° C, хотя существу- ют микросхемы, способные работать в расширенном диапазоне температур –60…+125 ° C. При снижении рабочей температу- ры некоторые параметры ИС улучша- ются, а именно, увеличивается: ● быстродействие КМОП-вентилей – из-за увеличения подвижности основ- ных носителей заряда и, следова- тельно, крутизны КМОП-транзисто- ров, снижения барьерных ёмкостей p-n-переходов, уменьшения допу- стимого перепада логических уров- ней, обусловленного более резкой передаточной характеристикой [1, 2]; ● полоса пропускания аналоговых КМОП-схем – благодаря повыше- нию крутизны КМОП-транзисторов и уменьшению ёмкостей p-n-пере- ходов; ● отношение сигнал/шум – благодаря уменьшению теплового шума и флик- кер-шума [3]; ● точность преобразования – в том числе, из-за уменьшения падения напряжения на паразитных сопро- тивлениях полупроводниковых обла- стей и межсоединений и уменьшения температурных градиентов на кри- сталле [4, 5]; ● надёжность – из-за экспоненциаль- ной зависимости интенсивности отказов от температуры, а также уменьшения обратных токов, утечек и эффекта защёлкивания [2]; ● эффективность работы мощных уси- лителей и источников питания. При низких температурах возника- ют и отрицательные эффекты, главны- ми из которых являются значительное снижение усиления биполярных тран- зисторов (БТ) [6] и появление изги- ба выходных вольтамперных харак- теристик (ВАХ) МДП-транзисторов (так называемый эффект «плавающе- го тела» (kink effect) [7]). Тем не менее, актуальность создания ИС для криоген- ных температур сохраняется, благода- ря постоянно расширяющейся обла- сти их применения (см. таблицу 1). Потребность рынка в низкотемпера- турной радиоэлектронной аппара- туре стимулирует разработку новых технологических маршрутов (тех- маршрутов), материалов и транзи- сторных структур, которые не отра- жены в таблице 1. Создание криогенных микросхем крайне важно для космических при- менений. Это обусловлено тем, что температура вблизи и на поверхности большинства планет Солнечной систе- мы и Луны ниже –60 ° C (см. таблицу 2), а использование нагревателей на осно- ве радиоактивных материалов, из-за необходимости применения экранов, защищающих электронику от воздей- ствия проникающей радиации, суще- ственно увеличивает массу и габариты космических аппаратов. Таблица 1. Области применения низкотемпературной электроники [4, 5, 8] Область применения Преимущество Режим работы Применяемая технология Типичная частотная область Типичная температура, К Обработка сигналов матриц ИК-датчиков Близкое расположение от источников сигналов Аналоговый / цифровой Si КМОП От звуковых частот до нескольких МГц 4…200 ОУ и мультиплексоры общего применения Близкое расположение от источников сигналов Аналоговый / цифровой Si КМОП Звуковые частоты 2…77 Измерительные приборы и анализаторы сигналов Высокое быстродействие, высокая рабочая частота Аналоговый/ цифровой ИС на эффекте Джозефсона СВЧ 4 Приёмники для радиоастрономии и космической связи Низкий шум Аналоговый GaAs МДП, GaAs/AlGaAs МДП, SiGe СВЧ 20 Предварительные усилители для датчиков магнитного резонанса и детекторов частиц Близкое расположение от источников сигналов, низкий шум Аналоговый GaAs МДП ВЧ/СВЧ 4…77 Мощные усилители и преобразователи Улучшенная эффективность Аналоговый Полупроводниковая От постоянного тока до СВЧ 77 Магнитометры Высокая чувствительность Аналоговый Приборы на эффекте Джозефсона ВЧ 4 Предварительные усилители для ИК-датчиков Близкое расположение от ИК-датчиков, низкий шум Аналоговый Si ПТП/КМОП Звуковые частоты 4…77 Обработка сигналов радаров, связь, спектральный анализ Широкая полоса пропускания Аналоговый Si КМОП, SiGe СВЧ 4 К Примечания: ИК – инфракрасный, МДП – транзистор со структурой метал-диэлектрик-полупроводник, ПТП – полевой транзистор с p-n-переходом, Si – кремний, SiGe – кремний-германий, GaAs – арсенид галлия, AlGaAs – арсенид алюминия-галлия, ВЧ (СВЧ) – высокая (сверхвысокая) частота © СТА-ПРЕСС