100 лет радио - Мигулина В.В.
ISBN 5-256-01228-2
Скачать (прямая ссылка):
Рис 2. Разбраковка изготовленных на пластине кристаллов (черными точками помечен брак)
Интегральная электроника
343
Требования к новому кристаллу
Рис. 3. Иерархические уровни проектирования
Дальше следуют логический и схемотехнический уровни.
В области схемотехнических решений логические ячейки типа РТЛ, РЕТЛ и ДТЛ считались устаревшими еще в 1975 г. В 1982 г. первое место занимали п-МОП ячейки (41%), с которыми конкурировали ТТЛШ (19%) и К-МОП (12%) ячейки. Последние к 1993 г. стали основой Щ2 высоких уровней интеграции (61%), однако в этот период появляются ИС, сочетающие биполярную и К-МОП технологию (Би-К-МОП). Удельный вес этих схем на 1993 г. составляет, правда, всего лишь около 3%. В качестве примера здесь можно привести Би-К-МОП ИС микропроцессора фирмы "Интел" 4860X2, содержащего 1 680 ООО транзисторов, расположенных на кристалле площадью в 0,81 см2; Минимальный топологический размер (ширина токоведущей дорожки, расстояние между соседними дорожками и т.п.) составляет 0,8 мкм.
В 1994 г. ожидалось, что Би-ТТЛ- и ЭСЛ-логика будут занимать в сумме 20%, К-МОП — 72%, Би-К-МОП — 7% и логика на арсениде галлия — 1 %.
Следующий уровень — топологический — позволяет получать основной инструмент для изготовления ИС — комплект фотошаблонов для проведения фотолитографических процессов. Однако процесс проектирования на этом нельзя считать законченным: необходимо разработать также и систему тестов, однозначно определяющих работоспособность всех узлов ИС, выполнение всех заданных функций.
Проектирование должно быть практически безошибочным, особенно тогда, когда проектируемый комплект ИС предназначен
344
Я. А. Федотов
для единой системы. В этом случае эффективно только сквозное проектирование, которое для проверки работоспособности электронных систем предполагает макетирование. Макетирование ИС высоких уровней интеграции представляет собой слишком длительный и дорогой процесс, поэтому его заменяют моделированием. Таковы основные этапы процесса проектирования цифровых специализированных ИС высоких уровней интеграции.
Проектирование аналоговых ИС рассмотрим на примере монолитных ИС диапазонов СВЧ и КВЧ ввиду того, что им присущи многие характерные особенности, на которые следует обратить особое внимание.
Монолитные ИС диапазонов СВЧ и КВЧ
Прежде всего следует отметить, что специализация, присущая цифровым ИС высоких уровней интеграции, еще более характерна для аналоговой техники, не опирающейся на многократное повторение типовых решений и работу в двоичном коде. Примером тому может служить техника, предназначенная для работы в СВЧ и КВЧ диапазонах и довольно долго реализуемая на уровне бескорпусных диодов и транзисторов и гибридных ИС.
Последние, как правило, проектируются и изготавливаются разработчиком аппаратуры, и этот факт не вызывает ни сомнений, ни возражений: технология изготовления гибридных ИС с бескорпусными активными элементами по сути дела представляет дальнейшее развитие техники печатного монтажа, а их разработка — решение радиотехнических задач, тесно связанных с конструктор-ско-технологическими задачами.
Попутно заметим, что в американской статистике то, что мы называем гибридными ИС, вообще не относят к числу изделий интегральной электроники. Объем их продажи на рынке не превышает 1...2%. Если в цифровой технике интерес к гибридным ИС пропал очень быстро и они были вытеснены монолитными ИС, то в радиотехнических устройствах они занимали и занимают достаточно прочное положение, хотя и не являются товарной продукцией, поступающей на рынок. Технология их проще, а объемы производства не столь велики, чтобы обеспечить рентабельность перехода на монолитную технологию.
Развитие техники активных фазированных антенных решеток (АФАР) с сотнями и тысячами приемопередающих блоков в определенной степени вызвало особый интерес к монолитным ИС диапазона сантиметровых и миллиметровых длин волн, поскольку он в значительной степени связан с размерами излучателей в этих да-пазонах: приемопередающий модуль должен иметь сопоставимые размеры, что трудно реализовать в гибридном варианте.
Интегральная электроника
345
И конечно, одним из важнейших стимулов для развития техники монолитных И С СВЧ и КВЧ диапазонов явилось появление и развитие физики и технологии транзисторов с гетеропереходами. Биполярные транзисторы с га-ирокозонньш эмиттером используют эффект "суперинжекции", позволяющий получать высокие коэффициенты инжекции при сильном легировании области базы, что снижает постоянную времени гб'С к ограничивающую частотные свойства биполярных транзисторов.
Эффект "двумерного электронною газа", используемый в полевых транзисторах, обеспечивает высокую концентрацию носителей заряда в области канала без потери их подвижности за счет рассеяния на ионах доноров.
Эти два важнейших эффекта позволили создать широкую гамму интегральных транзисторов и монолитных ИС, обеспечивающих, например, на частоте 60 ГГц усиление до 10... 12 дБ и коэффициент шума порядка 2,5^.3,5 дБ при усилении порядка 4 дБ (интерес к частоте 60 ГГц определяется не столько АФАР, сколько связными радиостанциями ограниченного радиуса действия). На частоте 94 ГГц коэффициент усиления достигает 5...7 дБ.
