CMOS-Vorteile fürs HF-Front-End
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
SOS-Transistoren haben ihre Vorteile
Ein anderer Vorteil der ultradünnen Aktivschichten in einem SOS-Prozess ist, dass so genannte „vollständig verarmte“ Transistoren eingesetzt werden können. Das heißt, die aktive Schicht des Transistors ist verarmt, wenn er eingeschaltet ist. Das unterscheidet SOS von Bulk-Silizium, wo eine große Ladungsmenge vorhanden ist, die nicht verarmt werden kann. Die Leis-tungsvorteile voll-ständig verarmter Transistoren beruhen auf folgendem Zusammen-hang: Wenn sich keine Ladung im Kanal befindet, wird die gesamte Gatespannung verwendet, um einen leitfähigen Kanal zu erzeugen. Dies wirkt tatsächlich wie ein dünneres Gateoxid mit höherem Treiberstrom des Transistors und Unterdrückung jeglicher Effekte zwischen Aufbausubstrat und Sperrschicht. Auf diese Weise werden im Vergleich zu alternativen SOI-Technologien höhere Frequenzen möglich und ein bestmöglich linearer Betrieb erreicht.
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Wegen der Größen- und Integrationsvorteile hat SOS schätzungsweise einen Vorsprung von zwei Generatio-nen vor Bulk-Silizium. Die 0,25-µm-Strukturgeometrie in SOS hat zum Beispiel ein ähnliches Hochfrequenzverhalten wie ein 0,13-µm-Element in SOI. Was zu erwarten war: Jede erfolgreiche SOS-Generation beruht auf Verbesserungen gegenüber der vorigen. Im Vergleich zur ersten Generation in Bild 1 konnte bei vergleichbaren Isolationswerten in der dritten Generation die Einfügedämpfung um 0,4 dB reduziert, der Intercept-Punkt dritter Ordnung (IP3) um 11 dB verbessert und die Größe um 40 % reduziert werden.
Indem sie die integrationstechnischen Vorteile der Siliziumtechnologie nutzen, können die Entwickler sogar noch weitere Eigenschaften realisieren. So könnten in SOS zum Beispiel im Gegensatz zu GaAs anwendungsspezifische „Logik-Funktions-tabellen“ in CMOS integriert werden. Die Technologie bietet auch einen erheblich verbesserten Schutz gegen elektrostatische Entladungen (ESD) und benötigt – auch im Gegensatz zu GaAs – keine externen Kondensatoren. Dies erlaubt eine weitere Verkleinerung der Grundfläche und Verringerung des Anteils an den Gesamtkosten. Ein GaAs-Schalter zum Beispiel benötigt typischerweise einen ESD-Schutz, und an allen HF-Ports müssen Kondensatoren als Gleichspannungsschutz vorgesehen werden. Bild 2 zeigt beispielhaft den HF-Kern eines SP7T-Schalters in SOS-Technologie, der die Anforderungen an WDCMA und GSM erfüllt: Er benötigt keine weiteren Komponenten.
Die bisherigen Fortschritte in der SOS-Technologie und ihre offensichtlichen Fähigkeiten, GaAs bei der Flächen-Minimierung und den besseren Integrationsmöglichkeiten zu übertreffen, legt nahe, dass das Ende von „Moore’s Law“ noch lange nicht erreicht ist, insbesondere beim HF-Front-End.
| [1] | Nobbe, D.: Integration-by-parts: An approach to the RFIC market. RF Design, Feb 1, 2004. http://rfdesign.com/mag/radio_integrationbyparts_approach_rfic/ |
| [2] | Zeitzoff, P.M; Huff, H.R.: Non-Classical CMOS: the ‘Ultimate’ MOSFET Device. EE Times 22. August 2003. www.eet.com/in_focus/silicon_engineering/OEG20030822S0030 |
 | Rodd Novak ist Marketing-Vizepräsident bei der Peregrine Semiconductor Corp. verantwortlich für das Design und die globale Marketingstrategie. rnovak@psemi.com |
Einige Hersteller von HF-ICs versuchen, die Herausforderungen bei den Leistungsmerkmalen, Abmessungen und der Integration mit Standard-SOI-Technologie oder SOS zu überwinden. Während SOI-Sensoren und -Induktivitäten den Markt bereits mit einigem Erfolg erobert haben, gibt es nur wenige Schalter in Standard-SOI-Technologie, die über Anwendungen niedriger Leistungsfähigkeit hinauskommen. Peregrine Semiconductor hat jedoch schon vor Jahren Schalter in UltraCMOS-SOS-Technologie auf dem Markt gebracht, die bereits in hohen Stückzahlen in sehr leistungsfähigen Geräten eingesetzt werden.
Bezüglich der technischen Merkmale gehören zu den besonderen Spezifikationen von Antennenumschaltern die möglichst geringe Einfügungsdämpfung (Insertion Loss, IL), die Verarbeitung hoher Leistungswerte sowie geringe Oberwellen- und Intermodulationsprodukt-Generierung (IMD).
Bei dem wachsenden Marktanteil von Multiband-Handys wird der Einsatz hochintegrierter Antennenumschalter immer dringlicher. Zurzeit wird der SP7T in hohen Stückzahlen eingesetzt. Ein SP7T in GaAs-Ausführung hat die Abmessungen von 1,6 mm x 1,5 mm, während ein vergleichbarer SP7T in 0,5-µm-SOS-Technologie mit besseren Klein- und Großsignalwerten nur 1,2 mm x 1,0 mm misst – das ist eine Verkleinerung um 50 %. Im Allgemeinen zeigt sich, dass die Leistungsfähigkeit von SOS-Schaltern den Parametern von GaAs-Varianten gleichkommt oder sie übertrifft.
Wie aus der Tabelle ersichtlich, steht die UltraCMOS-SOS-Technologie durch ihre hohe Integrationsdichte der GaAs-Variante mit vergleichbaren Leistungsmerkmalen aber mit wesentlichen Größenvorteilen gegenüber. Das isolierende Saphirsubstrat unterdrückt zudem Substratübersprechen und vermeidet parasitäre Kapazitäten, was zu einer hohen Integrationsdichte mit geringem Leistungsverbrauch in Schaltelementen mit großer Bandbreite führt – wenngleich GaAs auf einem halbisolierenden Substrat beruht, so fehlen ihm die im Silizium sehr wohl verfügbaren und zu einer hohen Integrationsdichte führenden komplementären Schaltelement-Funktionen.
Natürlich ist SOS ist keine neue Technologie, und Antennenumschalter auf dieser Grundlage sind auch seit Jahren auf dem Markt. Als Ergebnis der fortgeschrittenen Entwicklung und der Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen haben Entwickler von HF-ICs in der UltraCMOS-Technologie jedoch mittlerweile signifikante Größenreduzierungen von einer Generation zur nächsten erreicht. Bild 1 zeigt zum Beispiel die relative Größenreduzierung über drei Generationen von SP7T-Schaltern in UltraCMOS-Technologie. Die erste Generation in 0,5 µm misst 1,49 mm2, während die zweite Generation in „HaRP“ 1,21 mm2 benötigt. Die nächste Generation im 0,25-µm-Prozess wird auf 0,79 mm2 Grundfläche schrumpfen. Vergleichbare SP7T-Schalter als GaAs-JPHEMT-MMIC (die wegen der Leistungsanforderungen aus kaskadierten Schaltungen bestehen) brauchen 2,4 mm2. UltraCMOS führt letztlich zu einer solch dramatischen Größenreduzierung, da das gut isolierende Substrat und die etablierte digitale CMOS-Integrationstechnik hochleistungsfähige HF-Komponenten sowie dicht gepackte analoge und digitale CMOS-ICs realisierbar machen.
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