СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №4/2015

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2015 W/L W/L W/L W/L W/2L 2W/L I D , мА V GS = 5 В V GS , В 3 2 1 0 0 4 8 12 1 В 2 В 3 В 4 В Т = 12 К 14 18 21 25 же КМОП-техмаршрут применяется для изготовления сложно функциональ- ных низкотемпературных микросхем, содержащих аналоговые компоненты, при проектировании рекомендуется учитывать следующее [20]: ● при схемотехническом моделирова- нии не допускается применение Spice- параметров моделей, предоставляе- мых изготовителями микросхем, так как обычно эти параметры не пред- назначены для описания характери- стик интегральных элементов при криогенных температурах. Следует предварительно измерить параметры КМОП-транзисторов нескольких кон- струкций («базовых» транзисторов) при требуемой температуре и иден- тифицировать их Spice-параметры; ● масштабирование ВАХ КМОП-тран- зисторов необходимо осуществлять не изменением отношения шири- ны канала W к длине L, а последова- тельно-параллельным соединением «базовых» транзисторов одной и той же конструкции (см. рис. 2); ● существующий технологический разброс параметров полупроводни- ковых слоёв приводит к увеличе- нию в 2–3 раза разброса ВАХ КМОП- транзисторов при криогенных тем- пературах (см. рис. 3), поэтому не- обходимо применение специальных топологий транзисторов для согласо- вания их параметров; ● для увеличения коэффициента уси- ления напряжения и уменьшения уровня шума, приведённого ко вхо- ду, часто используют подпороговый режим работы (режим слабой инвер- сии) КМОП-транзисторов. Область насыщения ВАХ (высокого выход- ного малосигнального сопротивле- ния) в режиме слабой инверсии опи- сывается соотношением [28]: , (1) где I DW – ток стока в подпороговой обла- стиВАХ, V GS –напряжение затвор–исток, I D0W – ток стока при V GS = V TH , V TH – поро- говое напряжение МДП-транзисторов (напряжение отсечки ПТП), ϕ T = kT/q – температурный потенциал, k – посто- янная Больцмана, T – абсолютная тем- пература, q – заряд электрона, N W – фактор, характеризующий отклонение ВАХ в подпороговой области от экспо- ненты, обычно N W = 1…2. Для нормальных условий (300 K) тем- пературный потенциал составляет око- ло 26 мВ, а при температуре жидкого Таблица 4. Параметры пассивных элементов, изготовленных по техмаршруту Hi-CMOS II с длиной затвора, равной 2 мкм, в диапазоне температур [26] Параметр Тип структуры Температура, K 300 77 4,2 Сопротивление n+ исток 1 0,76 0,72 Поликристаллический кремний 1 0,89 0,88 Алюминий 1 0,14 0,05 p-карман 1 0,30 >10 5 Ёмкость p-n-переход 1 0,7…0,8 – Усиление по току Биполярный транзистор 1 0,017 0,0017 Ток защёлкивания (относительный) Паразитный тиристор 1 >1000 >1000 Таблица 3. Параметры активных элементов, изготовленных по техмаршруту Hi-CMOS II с длиной затвора, равной 2 мкм, в диапазоне температур [26] Тип структуры Параметр Тип канала Температура, K 300 77 4,2 Рабочая Пороговое напряжение, В n 0,59 1,04 1,08 p –0,74 –1,20 –1,43 Крутизна (относительная) n 1,0 1,6 1,6 p 1,0 1,4 1,4 Паразитная Пороговое напряжение, В n 39,4 53,4 41,8 p –35,8 –44,2 –45,9 Рис. 2. Схемы включения КМОП-транзисторов для масштабирования их параметров Рис. 1. Зависимость тока стока (I D ) от напряжения сток–исток (V DS ) для транзисторов n-МОП c отношением ширины затвора (W) к его длине (L), равной 50/10 мкм, при разных напряжениях затвор–исток (V GS ) и температурах (T) [20] Низкотемпературная электроника также применяется в научном приборо- строении, в измерительных и медицин- ских приборах, в приборах для иссле- дований Арктики и Антарктики. Целью предлагаемого обзора явля- ется изучение и систематизация воз- можностей и особенностей проекти- рования низкотемпературных аналого- вых интегральных схем для обработки импульсных сигналов датчиков. В ЫБОР КОНСТРУКТИВНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО БАЗИСА АНАЛОГОВЫХ КРИОГЕННЫХ МИКРОСХЕМ Известно, что низкотемпературные аналоговые ИС могут быть реализованы как на биполярных, так и полевых тран- зисторах, однако при выборе конструк- тивно-технологического базиса анало- говых криогенных микросхем необхо- димо учитывать ряд особенностей. 1. МОП-техмаршруты наиболее часто применяются при создании цифровых и аналого-цифровых ИС. При умень- шении температуры большинство параметров МОП-элементов улучша- ется (см. таблицы 3 и 4), но возрас- тает пороговое напряжение и появ- ляется изгиб выходной ВАХ в схеме с общим истоком (см. рис. 1). В тран- зисторах р-МОП изгиб ВАХ менее заме- тен, чем в n-МОП, и может быть мини- мизирован при правильном смещении n-кармана [25]. Известно, что прецизионные анало- говые микросхемы не следует созда- вать на КМОП-транзисторах [27]. Если © СТА-ПРЕСС