Tecnologia Bipolar em CIs

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
USO DE TECNOLOGIA BIPOLAR NOS CI’S ATUAIS
CIRCUITOS ELETRÔNICOS INTEGRADOS
PROFESSOR HAMILTON KLIMACH
ARGUS LUCONI ROSENHAIM
LEANDRO PRYTULA
STEVAN RUSCHEL DA SILVEIRA
PORTO ALEGRE, JULHO DE 2010
RESUMO
O uso da tecnologia bipolar encontra-se presente ainda nos dias atuais em
diversas aplicações. Nesse trabalho encontra-se algumas categorias de circuitos
integrados (CI’s) que utilizam a tecnologia bipolar, como a família ECL, a tecnologia
BiCMOS e outros CI’s mais recentes, que utilizam o transistor bipolar de heterojunção.
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SUMÁRIO
1. RESUMO............................................................................................................2
2. INTRODUÇÃO..................................................................................................4
3. FAMÍLIA ECL DE COMPONENTES...........................................................5
3.1 Funcionamento..............................................................................................5
3.2 Características da família ECL...................................................................6
3.3 Aplicações......................................................................................................6
4. TRANSISTOR BIPOLAR DE HETEROJUNÇÃO......................................6
4.1 Descrição: Modelo das bandas....................................................................7
4.2 Propriedades.................................................................................................8
4.3 Aplicações......................................................................................................8
5. TECNOLOGIA BiCMOS..................................................................................9
6. TECNOLOGIA BiCMOS COM
TRANSISTOR DE HETEROJUNÇÃO...........................................................9
7. CONCLUSÃO....................................................................................................11
8. BIBLIOGRAFIA...............................................................................................12
9. ANEXOS
9.1 Anexo 1 – Datashett componente ECL......................................................13
9.2 Anexo 2 – Datasheet componente com Heterojunção.............................15
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INTRODUÇÃO
O uso de tecnologia bipolar em circuitos integrados foi muito utilizada durante
décadas. Com o aperfeiçoamento da tecnologia MOSFET, reduzindo consumo e
diminuindo dimensões, a tecnologia bipolar perdeu espaço. No entanto, algumas
características dos bipolares fazem com que eles continuem importantes para
determinadas aplicações e é dentro deste contexto que serão estudados.
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FAMÍLIA ECL DE COMPONENTES
A Lógica de Emissores Acoplados (em inglês Emitter Coupled Logic - ECL) foi criada
em agosto de 1956 na IBM, por Hannon S. Yourke. Por décadas foi a família lógica
digital mais rápida. Essa alta velocidade se deve ao fato de que os transistores operam
fora da saturação reduzindo atrasos relativos a carga e descarga de capacitores parasitas
e mantendo os níveis lógicos em uma faixa de sinal relativamente pequena (0,8V ou
menor).
3.1 Funcionamento
Essa família apresenta um bloco lógico com duas saídas, a NOU e a OU,
obtidas a partir do mesmo circuito, como pode ser visto na figura 1. O circuito ECL
funciona de maneira análoga a um amplificador diferencial. Quando ambas as entradas
estiverem em nível zero, os transistores T3 e T2 estarão no limiar da região de corte,
portanto I2 será pequena e por isso o potencial em Z2 será alto. Se I2 tem um baixo
valor, I1 terá um valor alto de modo a satisfazer a condição Ie=I1+I2. Com isso o
transistor T1 estará no limiar da saturação, impondo assim, um potencial baixo em Z1.
Quando pelo menos uma das entradas (A ou B) estiver com potencial alto (nível 1), o
seu respectivo transistor (T3 ou T2) estará no limiar da saturação e, com isso, I2 será
elevada, logo o potencial de Z2 será baixo. Se I2 é elevada, I1 deverá ser pequena de
modo a manter a corrente Ie. Com isso o transistor T3 estará no limiar de corte,
impondo assim um potencial alto em Z1. A transposição dessas situações para uma
tabela verdade pode ser vista na tabela 1, onde se pode ver que a saída Z1 é uma saída
OU e a saída Z2 é uma saída NOU.
Figura 1 – Porta ECL
A
0
0
1
1
B
Z1
Z2
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
Tabela 1 – Tabela verdade porta ECL
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3.2 Características da Família ECL
1) A natureza diferencial do circuito torna-o menos suscetível a ruídos. Em
particular um sinal de interferência tende a afetar ambos os lados do par
diferencial de maneira similar, não causando chaveamento de corrente. Essa
propriedade vem da propriedade de rejeição de modo-comum do par diferencial.
2) A corrente drenada da fonte de alimentação permanece constante durante o
chaveamento dos transistores, ou seja, não são gerados “spikes” de corrente,
eliminando uma importante fonte de ruído em circuitos digitais. Essa é uma
característica fundamental para essa família, visto que opera com uma faixa de
níveis lógicos muito pequena, correspondendo a uma margem de ruído pequena.
3) Os circuitos com ECL normalmente operam com tensões de alimentação
negativas (terminal de alimentação positivo conectado ao terra).
4) Trabalham com níveis lógicos incompatíveis com outras famílias. Isso significa
que a operação entre o ECL e outras famílias requer circuitos de interface
adicionais.
5) Fan-out igual a 25.
6) Tempo de atraso muito baixo , da ordem de poucos nanosegundos. Atualmente
esta família responde numa velocidade de uns 600 MegaHz..
7) Disponibiliza saídas complementares, simplificando o projeto.
8) A potência dissipada pelos blocos dessa família é da ordem de 50 a 70 mW por
bloco. Isso se dá pelo fato de não trabalharem na região de corte e saturação e
sim, na região ativa.
9) Os transistores bipolares utilizados nesses circuitos são fabricados em silício.
3.3 Aplicações
Circuitos integrados ECL são utilizados onde velocidade alta é requerida. Sua principal
aplicação está em linhas de comunicação, principalmente na comunicação via satélite,
onde além de velocidade é preciso trabalhar com pequenos sinais. No anexo 1 é
apresentado o datasheet de um componente com tecnologia ECL.
TRANSISTOR BIPOLAR DE HETEROJUNÇÃO
O transistor bipolar de heterojunção (HBT) é uma melhoria do transistor de junção
bipolar (BJT). HBTs podem fornecer maiores velocidades de comutação que
transistores bipolares de silício, principalmente por causa de suas reduzidas resistência
de base e capacitância entre coletor e substrato. Em comparação com BJTs, apresentam
melhor desempenho em termos de resistência de base, capacitância base-emissor e
freqüência de corte. Também apresentam uma boa linearidade e baixo ruído. HBTs são
usados em aplicações de alta confiabilidade, tais como amplificadores de potência de
telefones celulares e drivers laser. A idéia de empregar uma heterojunção é tão antiga
quanto o BJT convencional, que remonta a uma patente de 1951, no entanto até a
década de 70 não havia tecnologia que permitisse a construção desses transistores.
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4.1 Descrição: Modelo das bandas
O transistor bipolar de heterojunção distingue-se do transistor bipolar de homojunção
em virtude da junção emissora ser uma heterojunção com o material do lado do emissor
possuindo maior altura da banda proibida. O tipo de transistor com mais potencialidades
é o n-p-n, visto que a mobilidade dos elétrons é maior que a das lacunas. A Fig. 2
representa esquematicamente um TBH.
Figura 2 – Transistor n-p-n de heterojunção
Esta estrutura, em equilíbrio termodinâmico e na zona ativa direta de
funcionamento apresenta um diagrama de bandas como indicado na figura 3 (a) e (b)
respectivamente. Do diagrama da figura 3(b), é fácil de reconhecer que a heterojunção
no emissor é responsável pelo aumento da altura da barreira de potencial na banda de
valência que dificulta o movimento dos buracos da região da base para a região do
emissor. Este fato traduz-se num aumento do rendimento de injeção, e por isso do αF
(ou βF ).
WC – Limite inferior da banda de condução
WV – Limite superior da banda de valência
WG – Altura da banda proibida
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Figura 3 - Diagrama de bandas do TBH. (a) Equilíbrio termodinâmico; (b) Zona ativa
direta.
4.2 Propriedades
Para além do aumento do rendimento de injeção já mencionado, a heterojunção
do emissor permite que a região da base possa ser fortemente dopada, mais que a região
do emissor, sem prejuízo do rendimento de injeção, e mesmo do αF (ou βF ) dada a
pequena largura da região de base. Uma elevada condutividade da base apresenta várias
vantagens:
1) Pequenas quedas de tensão na base, quer longitudinais quer transversais. Aumenta-se a condutividade dinâmica (melhoria da resposta em frequência) e diminuem os
efeitos da densidade de corrente não uniformes.
2) As bases podem ser mais estreitas já que as regiões de transição se encontram quase
completamente do lado do emissor e do coletor. Não há assim problemas de
atravessamento da base sendo também menor que o tempo de permanência dos
portadores na base. A variação do αF (ou βF ) com as tensões aplicadas é também
muito menor (efeito de Early).
3) A junção emissora apresenta uma capacitancia menor, visto que a concentração de
doadores no emissor é menor que a habitual com a consequente melhoria da sua
resposta em frequência.
4) A tensão de disrupção do emissor aumenta também pela razão anterior, podendo ser
da ordem da junção coletora.
5) Os TBH podem funcionar num intervalo de temperaturas maior que os transistores
bipolares usuais devido ao tipo de materiais semicondutores utilizados e à natureza
dos átomos de impurezas de substituição.
4.3 Aplicações
Os HBTs são usados para aplicações digitais e analógicas de microondas com
freqüências muito elevadas, podendo chegar a centenas de gigahertz.
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TECNOLOGIA BiCMOS
A tecnologia BiCMOS combina os circuitos Bipolar e CMOS na mesma pastilha de
CI. Nessa tecnologia a parte lógica é realizada por circuitos CMOS e a parte bipolar é
apenas o estágio de saída pois, devido a alta transcondutância do transistor bipolar, este
é capaz de fornecer uma maior corrente por unidade de área de silício que o MOSFET.
Resumindo as vantagens da união das duas tecnologias:
•
Baixa Potência Consumida
•
Alta velocidade de operação
•
Alta impedância de entrada
•
Alta capacidade de corrente
•
Amplas margens de ruído de acionamento
É claro que para a utilização em conjunto dessas tecnologias acarreta num aumento
de custo e complexidade do processo de fabricação. No anexo 2 é mostrado o datasheet
de um circuito BiCMOS.
Figura 4 – Exemplo de um BiCMOS
TECNOLOGIA BiCMOS COM TRANSISTOR DE HETEROJUNÇÃO
Existe um consórcio europeu há três anos denominado “DotFive” que visa obter
transistores de heterojunção Silício/Germânio operando na faixa de 0,5 THz para
aplicações de comunicação, imagem ou radar. Em fevereiro de 2010 nos Estados
Unidos esse consórcio apresentou dois de seus resultados.
O primeiro resultados apresentado foi de um CI transmissor e receptor da
University of Wuppertal na Alemanha. O O chipset 158-165 GHz suporta esquemas de
modulação QAM e incluem VCO, prescaler e cadeias de amplificadores.
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O segundo resultado foi um receptor de 650 GHz, com uma antena integrada.
Esse circuito trabalha com largura de banda entre 635-665GHz. Ambos circuitos foram
implementados em uma tecnologia Européia Silício/Germânio BiCMOS. As figuras 5 e
6 mostram os CI’s produzidos.
Figura 5 – Transmissor e receptor 160 GHz
Figura 6 – Receptor 650 GHz
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CONCLUSÃO
O uso da tecnologia bipolar nos dias atuais prova que na área de eletrônica
muitos conceitos não envelhecem. Com o aperfeiçoamento de materiais e técnicas é
possível trazer a tona antigas idéias e implementá-la como soluções em determinadas
ocasiões.
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BIBLIOGRAFIA
[1] Microelectronics circuits 5th, Sedra, Adel S. and Smith, Kenneth C., 2004
[2] Heterostructure Bipolar Transistors and Integrated Circuits, HERBERT
KROEMER, IEEE 1982
[3] Heterojunction Bipolar Transistors, Y.C. Chou and R. Ferro
[4] Eletrônica Digital I, Fabiano Fruett, 2007
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Heterojunction_bipolar_transistor
[6] http://www.ihp-microelectronics.com
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ANEXO 1 – Datasheet componente ECL
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ANEXO 2 – Datasheet Componente com Heterojunção
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