От биполярных транзисторов к КМОП и почему 0,35 мкм живёт в профессиональной радиотехнике

Полупроводниковая электроника прошла путь, который мало кто из её первопроходцев мог предсказать. В 1947 году, когда в лаборатории Bell Telephone первый германиевый точечный транзистор усилил слабый сигнал, никому и в голову не приходило, что через полвека десятки миллиардов крошечных переключателей будут умещаться на кристалле размером с ноготь. Но ещё интереснее другое: пока мир гонится за субнанометровой литографией, целые классы профессиональных аналоговых схем по-прежнему выбирают технологии, которым перевалило за двадцать лет. И это не инерция, а осознанный инженерный выбор.

Почему биполярный транзистор так долго удерживал позиции в аналоговых схемах

Биполярный переходный транзистор появился раньше полевого и на протяжении нескольких десятилетий был безальтернативным инструментом аналоговых разработчиков. Причина коренится в физике. Биполярный транзистор управляется током базы, и зависимость коллекторного тока от базового описывается экспоненциальным законом Эберса-Молла. Эта нелинейность, столь нежелательная в цифровых схемах, в аналоговых приложениях оборачивается замечательным свойством: крутизна передаточной характеристики (gm) у биполярного транзистора пропорциональна рабочему току и при комнатной температуре составляет ровно Ic/VT, где VT около 26 мВ. Это означает, что при коллекторном токе в 1 мА крутизна достигает примерно 38 мА/В, что недостижимо для планарного МОП-транзистора той же площади затвора при том же токе.

Высокая крутизна напрямую определяет коэффициент усиления по напряжению. Операционные усилители на биполярных транзисторах, такие как легендарный LM741, разработанный ещё в 1968 году, демонстрировали характеристики, которые на то время казались поразительными. Биполярные дифференциальные пары отличались низким уровнем входного офсета, хорошим согласованием и вполне предсказуемым поведением в широком диапазоне температур.

Но у биполярной архитектуры были и принципиальные ограничения. Входной ток базы ненулевой: транзистор потребляет ток от источника сигнала, что создаёт ошибки в высокоомных схемах. Потребление энергии в статическом режиме определяется токами, протекающими через оба перехода структуры. Масштабировать биполярные транзисторы было труднее, чем МОП: для повышения быстродействия требовалось уменьшать толщину базы, что неизбежно снижало допустимое напряжение коллектор-эмиттер и усложняло технологический процесс. Именно эти ограничения в конечном счёте создали пространство для КМОП.

Как КМОП постепенно завоевала аналоговый мир и какой ценой

В 1960-е и 1970-е годы МОП и биполярные техпроцессы развивались параллельно, практически не пересекаясь. МОП применялся исключительно в цифровых схемах, биполярная технология держала аналог. Ситуация начала меняться в 1980-е годы по нескольким причинам сразу.

Первой движущей силой стала экономика. Производство цифровых КМОП-схем разворачивалось в таких масштабах, что стоимость пластины непрерывно снижалась. Фабрики инвестировали в КМОП-оборудование, совершенствовали технологические маршруты под цифровые нормы, и биполярные линии постепенно утрачивали конкурентоспособность по себестоимости. Разработчики аналоговых ИС обнаружили, что создавать аналоговые блоки на КМОП-фабрике, уже загруженной цифровыми заказами, значительно дешевле, чем поддерживать отдельное биполярное производство.

Второй силой стала идея системы на кристалле. Разместить аналоговый интерфейс, цифровой процессор и память на одном кристалле невозможно, если аналог требует принципиально другого технологического процесса. КМОП позволял объединить всё на одной пластине, и это преимущество перевешивало многие физические недостатки полевых транзисторов как аналоговых устройств.

Третьим фактором стало постепенное улучшение аналоговых характеристик КМОП по мере масштабирования. Уменьшение длины канала повышало транзитную частоту fT, и к 1990-м годам КМОП-транзисторы на нормах 0,5 и 0,35 мкм стали вполне пригодны не только для звуковых частот, но и для радиочастотных схем.

Платой за переход стали три хорошо известных инженерных неудобства. Входное сопротивление затвора КМОП-транзистора огромно, что выглядит как достоинство, однако затвор накапливает заряд и требует специальных мер защиты от электростатических разрядов. Шум 1/f (фликкер-шум) у КМОП значительно выше, чем у биполярных транзисторов: угловая частота, ниже которой фликкер-шум доминирует над тепловым, у КМОП составляет сотни килогерц и даже единицы мегагерц, тогда как у биполярных транзисторов она нередко не превышает нескольких килогерц. Это критично для малошумящих усилителей, генераторов с низким фазовым шумом и прецизионных АЦП. Крутизна полевого транзистора при той же площади и токе заметно ниже, чем у биполярного, что ограничивает достижимый коэффициент усиления при том же токе покоя.

БиКМОП как попытка взять лучшее от двух технологий в одном техпроцессе

Ответом промышленности на неустранимые недостатки чистого КМОП в аналоговых приложениях стала технология БиКМОП (BiCMOS), объединяющая биполярные и полевые транзисторы на одном кристалле. Идея проста и привлекательна: пусть биполярные структуры отвечают за усиление сигнала в чувствительных аналоговых трактах, а КМОП обеспечивает логику управления, цифровую обработку и энергоэффективную коммутацию. Каждый тип транзистора работает там, где он физически наиболее эффективен.

БиКМОП-процессы активно развивались в 1990-е и 2000-е годы. Такие производители, как Texas Instruments, Analog Devices и austriamicrosystems, предлагали специализированные БиКМОП PDK, ориентированные именно на профессиональную аналоговую электронику. Гетеропереходные биполярные транзисторы (HBT) на основе кремний-германиевых структур (SiGe BiCMOS) подняли планку ещё выше: транзитная частота таких транзисторов превысила 300 ГГц, что открыло дорогу к миллиметровым волнам прямо на кремниевом кристалле.

Цена этого решения, технологическая сложность. Каждая дополнительная маска в процессе удорожает производство. БиКМОП-маршрут включает от 5 до 12 дополнительных шагов по сравнению с чистым КМОП, что отражается как на стоимости пластины, так и на выходе годных кристаллов. Именно поэтому БиКМОП занял нишу высокопроизводительных, нечувствительных к цене изделий: телекоммуникационные трансиверы, профессиональные измерительные приборы, радарные фронтенды. Массовый потребительский рынок достался чистому КМОП.

Что именно сохраняет норму 0,35 мкм актуальной в профессиональной радиотехнике

Норма 0,35 мкм была коммерциализирована компанией Sony ещё в 1993 году и с тех пор пережила не одно поколение казалось бы более совершенных технологий. Почему разработчики профессиональной радиоаппаратуры упорно возвращаются к ней?

Первый и главный аргумент, напряжение питания. Аналоговый мир во многих профессиональных приложениях работает с напряжениями 3,3 В и 5 В, а нередко и с более высокими. Технологические нормы тоньше 0,25 мкм требуют снижения питания до 1,8 В и ниже из соображений надёжности оксида затвора. Для аналогового разработчика это катастрофа: динамический диапазон схемы, усилителя или АЦП, напрямую ограничен напряжением питания. На 0,35 мкм транзисторы спокойно работают при 3,3-5 В, и это открывает доступ к динамическому диапазону, который на 28 нм принципиально недостижим без специальных решений.

Второй аргумент, зрелость моделей и надёжность PDK. Технологический процесс 0,35 мкм отработан фабриками до предельной степени воспроизводимости. Модели транзисторов верифицированы на многолетних производственных данных. Разработчик может доверять симулятору в том объёме, который на передовых нормах попросту недостижим из-за постоянной доработки моделей и непредсказуемости новых техпроцессов. В аппаратуре с многолетним жизненным циклом, а именно такова профессиональная радиотехника и измерительное оборудование, эта стабильность ценится выше, чем призрачные преимущества передовой литографии.

Третий аргумент связан с фликкер-шумом. Уровень шума 1/f в КМОП-транзисторах, как правило, ухудшается по мере уменьшения геометрии: более тонкий оксид затвора накапливает больше зарядовых ловушек, и угловая частота растёт. На 0,35 мкм многие фабрики предлагают специальные низкошумящие варианты транзисторов, оптимизированные под аналоговые приложения. Это особенно существенно для синтезаторов частот, малошумящих усилителей и любых схем, где чистота спектра является ключевым параметром.

Четвёртый аргумент, доступность специализированных опций. На 0,35 мкм производители накопили огромный арсенал дополнительных элементов: высоковольтные DMOS-транзисторы, прецизионные резисторы с низким ТКС, линейные конденсаторы с нормированной ёмкостью на единицу площади, высокодобротные индуктивности на высокоомной подложке для РЧ-схем. Всё это складывается в богатую библиотеку элементов, которую на более тонких нормах либо нет, либо она обходится несоразмерно дорого.

Как аналоговые инженеры выбирают технологический процесс в зависимости от задачи

Честный ответ на вопрос о выборе между биполярными, КМОП и БиКМОП нормами звучит не как формула, а как система приоритетов. Разные задачи диктуют разные решения, и опытный разработчик аналоговых ИС умеет читать эти приоритеты прежде, чем открывает первую принципиальную схему.

Перечень ключевых ориентиров при выборе техпроцесса для аналогового проекта выглядит следующим образом:

1. Требования к шуму. Если нижняя граница рабочего диапазона ниже 100 кГц и шум критичен, биполярный или SiGe BiCMOS предпочтительнее чистого КМОП из-за значительно более низкого фликкер-шума.
2. Напряжение питания и динамический диапазон. При питании выше 2,5 В норма 0,35 мкм или 0,18 мкм с высоковольтными опциями окажется уместнее, чем 28 нм или 7 нм.
3. Частота работы. Выше 10 ГГц SiGe HBT опережает стандартный КМОП по шумовым характеристикам и линейности; ниже 1 ГГц 0,35 мкм КМОП справляется с большинством задач.
4. Жизненный цикл продукта. Аппаратура с ресурсом 15-20 лет требует гарантированного доступа к пластинам: старые технологические нормы здесь надёжнее передовых.
5. Стоимость разработки. Маска на 0,35 мкм стоит в десятки раз дешевле маски на 7 нм, и для малосерийных профессиональных устройств это нередко определяет коммерческую состоятельность проекта.

Сосуществование технологий как неизбежный итог физических ограничений

Путь от германиевого биполярного транзистора 1947 года до субнанометровых FinFET-кристаллов занял менее восьми десятилетий. Это поразительная скорость для инженерной дисциплины. Но за этим движением вперёд скрывается более тонкая история: каждое следующее поколение технологии не вытесняет предыдущее полностью, а занимает свою нишу.

Биполярные транзисторы не исчезли. Они живут в СВЧ-усилителях, прецизионных источниках опорного напряжения, профессиональных инструментальных усилителях и там, где фликкер-шум нельзя терпеть ни при каких обстоятельствах. Норма 0,35 мкм не реликт, а рабочая лошадь профессиональной радиотехники, измерительного оборудования и промышленной автоматики. Тонкие нормы занимают потребительский и вычислительный рынок, где плотность интеграции и энергопотребление важнее абсолютного шума и линейности.

Аналоговый инженер, понимающий эту экосистему, не спрашивает "какая технология новее". Он спрашивает "какая физика работает здесь в мою пользу". Ответ на этот вопрос нередко приводит его к техпроцессу, разработанному тогда, когда некоторые из его нынешних коллег ещё не пошли в школу. И это совершенно правильный ответ.