Schnittstellen-ICs: Analoge Technik bewegt digitale Inhalte #####

21. September 2007, 17:22 Uhr |

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

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Der BiCMOS8-Prozess im Detail

Der BiCMOS8-Prozess von National basiert auf einem 0,25-µm-Prozess und ist damit sicherlich nicht mit dem neuesten Stand der Technik bei reinen CMOS-Prozessen (65 nm) oder Bi-CMOS-Technologien (0,13 µm) zu vergleichen. Gemessen an dem Ziel, Bipolartransistoren mit einer Transitfrequenz (fT) von 50 GHz bei exzellentem Signal-Rausch-Abstand und robusten Schnittstellen-Eigenschaften wie einer hohen Beständigkeit gegen elektrostatische Entladungen hervorzubringen, war dieser Prozess aber dennoch die richtige Wahl. Die Verwendung eines 0,18-µm-Prozesses etwa hätte die Versorgungsspannung von 2,5 V bei 0,25 µm auf 1,8 V herabgesetzt. Wegen der ungünstigen Auswirkungen auf den Signal-Rausch-Abstand hätten sich die Anforderungen an das Phasenrauschen dann nur sehr schwer erfüllen lassen.

Um ein optimales Verhältnis zwischen Frequenz und Verlustleistung zu erzielen, wurden verschiedene, in der Industrie als Standard etablierte Verfahren angewandt. Den wirklichen Unterschied machten jedoch bestimmte intern entwickelte Technologien aus. Wie die meisten schnellen BiCMOSProzesse nutzt auch BiCMOS8 Germanium als Dotierungsstoff in der Basisregion der Bipolartransistoren. Dabei weist das Germanium-Dotierungsprofil entlang der Basis einen Gradienten auf: Am höchsten ist der Germaniumgehalt an der dem Kollektor zugewandten Seite (Bild 4).

Dies hat zwei günstige Auswirkungen. Erstens entsteht wegen der ungleichmäßigen Dotierungs-Konzentration ein Driftfeld, das die Leitungsband- Elektronen entlang der Basis beschleunigt. Zweitens führen der geringe Bandabstand von Germanium im Vergleich zu Silizium (0,55 eV gegenüber 1,12 eV) und die abfallende Dotierungskonzentration dazu, dass auch der Bandabstand einen Gradienten aufweist. Das Resultat ist ein quasi-elektrisches Feld entlang der Basis. Die Zeit, die die Elektronen zum Durchqueren der Basisregion benötigen, verkürzt sich hierdurch drastisch, mit entsprechend positiven Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit.

Zur weiteren Anhebung der Frequenz wurden allerdings noch verschiedene weitere Prozesse verwendet. Bekanntermaßen ist die Cut-off- oder Transitfrequenz fT die am weitesten verbreitete Leistungskenngröße für Bipolartransistoren. Es handelt sich dabei um die höchste Frequenz, bei der ein Transistor eine praktisch nutzbare Stromverstärkung (>1) aufweist (siehe folgende Gleichung):
1/(2p × fT) = (Cje + Cjc) × (kT/q)/Ic + tE + tB + tC

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Bild 4. Dotierungsprofil der Bipolartransistoren im BiCMOS8-Prozess.

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