СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ НА GAN И GAAS ТРАНЗИСТОРАХ
Аннотация
Высокотемпературные интегральные микросхемы (ИМС), сохраняющие работоспособ-
ность при температуре более 150°С, требуются во многих областях промышленности, например,
в аэрокосмическом, авиационном и автомобильном приборостроении, нефтехимической промыш-
ленности, электроэнергетике, электронике военного назначения. В настоящее время зарубежные
предприятия серийно выпускают несколько высокотемпературных аналоговых и аналого-
цифровых ИМС на основе кремниевых КМОП КНИ структур – ADS1278-HT, ADS1282-HT,
ADS8320-HT, INA129-HT, INA333-HT, OPA2333-HT и др. В Российской Федерации также разра-
ботаны высокотемпературные кремниевые операционные усилители и АЦП. Однако максималь-
ная рабочая температура таких изделий не превышает 200°С из-за наличия ограничений кремние-
вых технологий. По указанной причине в качестве полупроводников, предназначенных для высоко-
температурных ИМС, чаще всего рассматриваются широкозонные, такие как карбид кремния
(SiC), нитрид (GaN) и арсенид галлия (GaAs), которые обеспечивают ряд характеристик, необхо-
димых для высокотемпературных применений: широкую запрещенную зону, высокую скорость
насыщения носителей заряда и низкую концентрацию собственных носителей заряда. В статье представлен аналитический обзор проблем разработки высокотемпературных GaN и GaAs мик-
росхем. Рассмотрены особенности вольтамперных характеристик GaN и GaAs полевых транзи-
сторов, работающих в режиме обеднения и обогащения, электрические схемы типовых аналого-
вых устройств (зарядочувствительных и операционных усилителей, компараторов, повторителей
тока) и цифровых вентилей. Сделан вывод о том, что схемотехнический синтез GaAs аналоговых
микросхем целесообразно выполнять на полевых транзисторах с каналом n-типа, работающих в
режиме обеднения, и p-n-p гетероструктурных биполярных транзисторах. Приведены примеры
таких схем. Актуальность вышеназванных исследований связана с проблемами импортозамеще-
ния микросхем на широкозонных полупроводниках (GaN, GaAs), обеспечивающих широкий диапазон
рабочих температур (свыше +150°С).
Литература
monitoringa sostoyaniya vysokotemperaturnykh ob"ektov [12-bit delta-sigma ADC for monitoring the
state of high-temperature objects], Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh
sistem (MES) [Problems of development of advanced micro- and nanoelectronic systems stem (MES)],
2020, Issue 1, pp. 95-99.
2. Balashov E.V., Ivanov N.V., Akhmetov D.B., Korotkov A.S. Vysokotemperaturnyy instrumental'nyy
usilitel' [High-temperature instrumental amplifier], Nanoindustriya [Nanoindustry], 2020, No. S96-1,
pp. 160-163.
3. Hassan A., Amer M., Savaria Y., Sawan M. Towards GaN500-based High Temperature ICs: Characterization
and Modeling up to 600°C, 2020 18th International New Circuits and Systems Conference
(NEWCAS). IEEE, 2020, pp. 275-278.
4. Hassan A., Ali M., Trigui A., Savaria Y., Sawan M. A GaN-Based Wireless Monitoring System for
High-Temperature Applications, Sensors, 2019, Vol. 19 (8), pp. 1785.
5. Hassan A., Noël J-P., Savaria Y., Sawan M. Circuit Techniques in GaN Technology for High-
Temperature Environments, Electronics, 2022, Vol. 11 (1), pp. 42.
6. Fresina M. Trends in GaAs HBTs for wireless and RF, Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology
Meeting J. IEEE, 2011, pp. 150-153.
7. Zampardi P.J., Sun M., Cismaru C., Li J. Prospects for a BiCFET III-V HBT Process, Compound
Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), 2012, pp. 1-3.
8. Jena M.R., Panda A.K., Dash G.N. A Comparative Analysis InP/InGaAs δ Doped based NPN and
PNP HBT, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), 2019, Vol. 8, Issue
09, pp. 819-823.
9. Lovshenko I.Yu., Kratovich P.S., Stempitskiy V.R., Dvornikov O.V., Kunts A.V., Pavlyuchik A.A.
Geteroperekhodnyy bipolyarnyy tranzistor so strukturoy pnp-tipa v arsenid-gallievoy tekhnologii
HBT-HEMT [Heterojunction bipolar transistor with a pnp-type structure in arsenide gallium technology
HBT-HEMT], Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem – 2022: Sb.
trudov [Problems of development of promising micro- and nanoelectronic systems - 2022. Collection
of papers], edited by. ed. Academician of the RAS A.L. Stempkovskogo. Moscow: IPPM RAN, 2022,
Issue IV, pp. 149-154.
10. Dvornikov O.V., Pavlyuchik A.A., Prokopenko N.N., Chekhovskiy V.A., Kunts A.V., Chumakov V.E.
Arsenid-gallievyy analogovyy bazovyy kristall [Gallium Arsenide analog base crystal] Problemy
razrabotki perpektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem – 2021: Sb. trudov [Problems of development
of promising micro- and nanoelectronic systems - 2021. Collection of works], edited by. ed.
Academician of the RAS A.L. Stempkovskogo. Moscow: IPPM RAN, 2021, pp. 47-54.
11. Cai Y., Cheng Z., Yang Z., Tang C., Lau K., Chen K. High-Temperature Operation of AlGaN/GaN
HEMTs Direct-Coupled FET Logic (DCFL) Integrated Circuits, Electron Device Letters J. IEEE,
2007, Vol. 28, No. 5, pp. 328-331.
12. Dvornikov O.V., Pavlyuchik A.A., Prokopenko N.N., Chekhovskiy V.A., Kunts A.V., Chumakov V.E.
Unifitsirovannye skhemotekhnicheskie resheniya analogovykh arsenid-gallievykh mikroskhem [Unified
circuit solutions for analog gallium arsenide microcircuits], Izvestiya vuzov. Elektronika [News of
universities. Electronics], 2022, Vol. 27, No. 4, pp. 475-488.
13. Nomoto K., Hasegawa K., Satoh M., Nakamura T. Reliability of High-Temperature Operation for
GaN-Based OPAMP, MRS Online Proceedings Library (OPL), 2009, pp. 1195-B08-02.
14. Dvornikov O.V., Chekhovskiy V.A, Dyatlov V.L., Prokopenko N.N. Sozdanie nizkotempera-turnykh
analogovykh IS dlya obrabotki impul'snykh signalov datchikov. Ch. 3 [Creation of low-temperature
analog ICs for processing pulse signals from sensors. Part 3], Sovremennaya elektronika [Modern
electronics], 2015, No. 6, pp. 34-39.
15. Dvornikov O.V., Prokopenko N.N., Chumakov V.E., Tchekhovsky V.A. General-Purpose Simulation
Technique for Сharge-Sensitive Amplifiers Based on Wide-Band-Gap (GaAs, GaN) D-FETs, Proceedings
of 16th International Conference of Actual Problems of Electronic Instrument Engineering
(APEIE). IEEE, 2023.
16. Takai N., Fujii N. GaAs MESFET multi-output current mirrors and their application to high frequency
filters, International Conference on Electronics, Circuits and Systems. Surfing the Waves of Science
and Technology (Cat. No. 98EX196). IEEE, 1998, Vol. 2, pp. 307-310.
17. Ehteshamuddin M., Salem J.M., Ha D.S. A high temperature variable gain amplifier based on GaN
HEMT devices for downhole communications, 2017 IEEE International Symposium on Circuits and
Systems (ISCAS), 2017, pp. 1-4.
18. Fujiwara M., Nagata H., Hibi Y., Matsuo H., Sasaki M. Cryogenic low noise amplifier with GaAs JFETs,
AIP Conference Proceedings J. American Institute of Physics, 2009, Vol. 1185, No. 1, pp. 267-270.
19. Lan D. Ning Y., Wang J., Jiang H. High performance two-stage bootstrapped GaAs comparator with
gain enhancement, 16th Annual Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON). IEEE,
2015, pp. 1-4.
20. Pennisi S., Pulvirenti F., Samperi K. Frequency Compensation Scheme for a Full GaN OpAmp driving 1-
nF load, 2022 International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). IEEE, 2022, pp. 2042-2046.
