Полупроводниковая промышленность всегда балансировала между противоположностями. Биполярные транзисторы дарят скорость и мощность, но пожирают энергию. Полевые приборы экономичны и компактны, однако уступают в быстродействии на критичных участках. Каждая технология тянула одеяло на себя, пока инженеры не задали вопрос - а что если объединить обе?
Технология BiCMOS родилась из необходимости выжать максимум из кремниевого кристалла. Современная микросхема содержит миллиарды транзисторов, упакованных в площадь размером с ноготь. Плотность интеграции растет по закону Мура уже полвека, но физические ограничения никуда не делись. Тепловыделение, токи утечки, паразитные емкости - все это заставляет искать новые архитектурные решения.
Два мира на одном кристалле
Биполярный транзистор работает на принципе инжекции неосновных носителей через тонкую базу. Электроны, впрыснутые из эмиттера в базу n-p-n структуры, пролетают до коллектора за пикосекунды. Крутизна передаточной характеристики высока, выходное сопротивление низкое. Такой прибор идеален для аналоговых узлов - усилителей, компараторов, генераторов опорного напряжения.
Передаточная характеристика биполярного транзистора описывается экспоненциальной зависимостью:
Iк = Is × exp(Vбэ / Vт)
где Is - ток насыщения, Vбэ - напряжение база-эмиттер, Vт - тепловой потенциал (около 26 мВ при комнатной температуре).
Полевой МОП-транзистор управляется напряжением на изолированном затворе. Ток практически не течет через затвор - входное сопротивление достигает терао ом. В закрытом состоянии канал почти не проводит, утечка минимальна. Миллионы таких приборов можно разместить на кристалле, не боясь перегрева от статического энергопотребления.
Ток стока МОП-транзистора в линейной области определяется формулой:
Iс = (μn × Cox × W / L) × [(Vзи - Vпор) × Vси - Vси² / 2]
где μn - подвижность носителей, Cox - емкость окисла затвора, W/L - геометрическое отношение ширины к длине канала, Vзи - напряжение затвор-исток, Vпор - пороговое напряжение.
Интеграция обеих технологий на одном кристалле казалась логичным шагом. Логические элементы строятся на КМОП-структурах, аналоговые узлы - на биполярных транзисторах. Но реализация потребовала серьезных модификаций техпроцесса.
Технологические вызовы совместного производства
Изготовление КМОП-транзистора требует формирования карманов с разной проводимостью в подложке. N-канальный прибор размещается в p-кармане, p-канальный - в n-кармане. Изоляция между соседними транзисторами обеспечивается обратно смещенными p-n переходами.
Биполярный транзистор нуждается в тонкой, высоколегированной базе. Толщина активной области базы современного SiGe HBT составляет доли микрометра. Концентрация примеси в эмиттере должна превышать базовую в сотни раз, иначе эффективность инжекции падает.
Коэффициент инжекции эмиттера вычисляется как:
γ = 1 / (1 + (Nб × Dэ × Wб) / (Nэ × Dб × Wэ))
где Nб и Nэ - концентрации примеси в базе и эмиттере, Dб и Dэ - коэффициенты диффузии, Wб и Wэ - ширины соответствующих областей.
Совместить два набора требований на одной пластине непросто. Приходится добавлять маски, усложнять маршрут обработки. Типичный КМОП-процесс включает 15-20 фотолитографических операций. BiCMOS добавляет еще 5-10 шагов для формирования биполярных структур.
Каждый дополнительный шаг снижает выход годных изделий. Дефект на любом этапе может погубить кристалл. Но инженеры научились минимизировать потери, оптимизируя последовательность операций и используя самосовмещенные процессы.
Архитектура биполярно-полевых схем
Классический логический элемент на КМОП-технологии потребляет энергию только в момент переключения. Пара комплементарных транзисторов - n-канальный внизу, p-канальный вверху - обеспечивает, что в любом статическом состоянии один из них закрыт. Путь от питания до земли разорван, ток не течет.
Мощность, рассеиваемая КМОП-элементом, складывается из динамической и статической составляющих:
P = C × Vпит² × f + Iутечки × Vпит
где C - емкость нагрузки, Vпит - напряжение питания, f - частота переключения, Iутечки - ток утечки закрытых транзисторов.
При масштабировании процесса напряжение питания снижается. Современные чипы работают от 0.8-1.2 В вместо 5 В десятилетней давности. Квадратичная зависимость мощности от напряжения делает снижение Vпит крайне выгодным. Но одновременно падает запас помехоустойчивости, растут токи утечки.
Биполярный транзистор в схемах BiCMOS используется там, где КМОП не справляется. Выходные буферы микросхем требуют способности отдавать большие токи в низкоомную нагрузку. Биполярный прибор с коэффициентом передачи тока β порядка 100-200 способен раскачать десятки миллиампер при минимальном токе управления.
Типичная выходная ступень BiCMOS-логики представляет двухтактный каскад на биполярных транзисторах, управляемых от КМОП-логики. Логический нуль или единица формируется полевыми элементами, затем усиливается биполярной парой для подключения выхода к шине питания или земле.
Такая комбинация обеспечивает быстрые фронты сигнала даже при емкостной нагрузке в десятки пикофарад. Задержка распространения сигнала снижается с наносекунд до сотен пикосекунд.
Гетеропереходные транзисторы и кремний-германий
Введение германия в базу биполярного транзистора стало прорывом. Кремний-германиевый сплав обладает меньшей шириной запрещенной зоны, чем чистый кремний. Это создает градиент потенциала в базе, ускоряющий движение носителей от эмиттера к коллектору.
Граничная частота усиления по току SiGe HBT достигает 200-300 ГГц при технологических нормах 130-180 нм. Сравнимые параметры у чисто кремниевых биполярных транзисторов требуют норм 65 нм и меньше, что дороже.
Граничная частота определяется временами пролета носителей через области прибора:
fт = 1 / (2π × (τэ + τб + τк + τRC))
где τэ, τб, τк - времена пролета через эмиттер, базу и коллектор, τRC - паразитная RC-постоянная.
Германий в базе уменьшает τб в несколько раз. Одновременно повышается коэффициент инжекции эмиттера за счет разницы ширины запрещенной зоны между эмиттером и базой. Прибор становится быстрее и эффективнее.
Процентное содержание германия варьируется от 10% у поверхности до 30% в глубине базы. Градиентный профиль создает встроенное электрическое поле, подталкивающее электроны к коллектору. Рекомбинация в базе снижается, коэффициент передачи тока растет.
Технология SiGe BiCMOS нашла применение в высокоскоростных приемопередатчиках оптоволоконных линий связи. Трансимпедансный усилитель, лазерный драйвер, схема восстановления тактовой частоты - все эти блоки требуют полосы пропускания в десятки гигагерц. SiGe HBT справляется с задачей, оставаясь на кремниевой платформе с ее отработанной инфраструктурой.
Плотность интеграции и топология кристалла
Площадь, занимаемая одним биполярным транзистором, превышает площадь МОП-прибора в несколько раз. Вертикальная структура требует изоляционных областей, коллекторный контакт нуждается в отдельном кармане. Минимальный размер биполярного транзистора в процессе 180 нм составляет около 2-3 квадратных микрометров.
КМОП-транзистор того же техпроцесса занимает 0.3-0.5 квадратных микрометра. Разница на порядок. Поэтому биполярные приборы в BiCMOS-схемах используются избирательно - только там, где их преимущества критичны.
Типичная микросхема BiCMOS содержит 95-98% полевых транзисторов и 2-5% биполярных. Основной массив логики строится на КМОП, биполярники размещаются в специализированных узлах - аналоговых блоках, драйверах выходов, схемах фазовой автоподстройки частоты.
Плотность транзисторов на кристалле определяется топологическими нормами процесса. Для КМОП 180 нм достигается порядка 1-2 миллионов транзисторов на квадратный миллиметр. Процессор из нескольких десятков миллионов транзисторов умещается в кристалл площадью 50-100 квадратных миллиметров.
BiCMOS-микросхема той же сложности займет чуть больше площади из-за биполярных вставок. Но выигрыш в производительности перекрывает небольшой проигрыш в плотности. Быстродействие системы определяется не только количеством транзисторов, но и скоростью их работы.
Практические применения и ниши
Процессоры общего назначения отказались от BiCMOS еще в конце 1990-х. Intel Pentium и Pentium Pro использовали гибридную технологию, но начиная с Pentium II перешли на чистый КМОП. При снижении напряжения питания ниже 2.5 В преимущества биполярных транзисторов исчезают - падение на p-n переходе съедает весь запас.
Зато аналоговые и смешанные схемы продолжают активно применять BiCMOS. Аналого-цифровые преобразователи высокого разрешения нуждаются в прецизионных компараторах с минимальным временем установления. Биполярный дифференциальный каскад обеспечивает низкие шумы и высокую скорость переключения.
Радиочастотные микросхемы для беспроводной связи, радаров, спутниковых систем используют SiGe BiCMOS. Малошумящий усилитель на входе приемника, смеситель частот, генератор, управляемый напряжением - биполярные транзисторы незаменимы в этих узлах.
Граничная частота современных SiGe HBT позволяет работать в миллиметровом диапазоне волн - 60 ГГц и выше. Автомобильные радары на 77 ГГц для систем адаптивного круиз-контроля строятся на BiCMOS. Альтернатива - арсенид галлия - дороже и сложнее в интеграции с цифровой логикой.
Оптоэлектроника активно эксплуатирует BiCMOS. Приемник оптоволоконной линии со скоростью 100 Гбит/с содержит трансимпедансный усилитель, ограничивающий усилитель, схему восстановления данных и тактовой частоты. Все эти блоки работают на частотах 50-100 ГГц, где без биполярных транзисторов не обойтись.
Стоимость разработки BiCMOS-микросхемы выше, чем чисто КМОП. Дополнительные маски, сложная верификация, необходимость моделировать взаимодействие двух типов приборов - все это увеличивает сроки и бюджет проекта. Окупается только для массовых изделий или специализированных применений, где альтернативы нет.
Будущее гибридных технологий
Кремниевая технология приближается к фундаментальным физическим пределам. Топологические нормы 5-3 нм - это считанные десятки атомов поперек канала. Дальнейшее масштабирование затрудняется квантовыми эффектами, туннелированием носителей, невоспроизводимостью параметров.
BiCMOS в передовых узлах почти не используется - сложность процесса становится запретительной. Но на отработанных нормах 130-180 нм технология живет и процветает. Себестоимость производства низка, выход годных высок, характеристики достаточны для большинства аналоговых и RF-применений.
Новые архитектуры вроде FinFET (транзисторы с трехмерным затвором) и GAA (затвор вокруг канала) улучшают параметры КМОП-приборов, сокращая разрыв с биполярными. Но в области сверхвысоких частот биполярники сохраняют преимущество благодаря вертикальной структуре и малому времени пролета базы.
Исследуются варианты интеграции биполярных транзисторов на новых материалах - нитрид галлия, карбид кремния - с кремниевой КМОП-логикой. Гетерогенная интеграция, когда разные кристаллы соединяются через высокоплотные межсоединения, открывает путь к комбинированию лучших качеств разных технологий без компромиссов единого процесса.
Квантовые точки, углеродные нанотрубки, двумерные материалы вроде графена обещают революцию в электронике. Но до массового производства им еще десятилетия. Пока инженеры продолжают совершенствовать кремний, выжимая последние проценты производительности из материала, который служит основой индустрии уже семьдесят лет.
Биполярные транзисторы в окружении полевых собратьев - это симбиоз, доказавший жизнеспособность. Каждый тип прибора делает то, что у него получается лучше всего. КМОП обеспечивает плотность и энергоэффективность, биполярники добавляют скорость и аналоговую точность. Вместе они создают микросхемы, которые движут прогресс цифровой эры.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube