Микроэлектроника переводы / III-V Semiconductor Integrated Circuits
.pdfSemiconductors attract the attention of scientists and manufacturers working in the field of microelectronics. This interest is based upon the ability of these materials to satisfy а wide variety of needs. Полупроводники привлекают внимание ученых и производителей, работающих в области микроэлектроники. Этот интерес основан на способности этих материалов удовлетворять самые разные потребности.
Technological applications include high speed processing, communications, sensing and imagining, and many others. Integrated circuits with various combinations of MESFEТ, JFEТ, bipolar, Gunn, Schottky diode, laser diode , optical detector, light guide , acoustic wave, and other assorted functions are being explored , developed and utilized.
Технологические приложения включают в себя высокоскоростную обработку, связь, зондирование и визуализацию и многие другие. Исследуются, разрабатываются и используются интегральные схемы с различными комбинациями MESFET, JFET, биполярного, диода Ганна, диода Шоттки, лазерного диода, оптического детектора, световода, акустической волны и других различных функций.
One of the first large-scale applications of 3-5 semiconductors was light-emitting diodes (LEDs) which are two terminal devices that emit light when а forward-bias current is passed through а p-n junction. An energy state and device construction is given in Fig. З.
Одним из первых крупномасштабных применений 3-5 (групп) полупроводников были светодиоды, которые являются двумя оконечными устройствами, которые излучают свет, когда ток прямого смещения пропускается через p-n-переход. Энергетическое состояние и конструкция устройства приведены на рис.3.
When an electron in the conduction band combines with а hole in the valence band, the energy is emitted as а photon and light is produced. Of course, non-radiative combination processes and light re-absorption must be minimized for high efficiency. To emit light visible to the human eye, а band gap near 2 е V is necessary to provide the proper photon energy, which produces red-green light. Когда электрон в зоне проводимости соединяется с дыркой в валентной зоне, энергия излучается в виде фотона, и образуется свет. Конечно, комбинированные процессы без излучения и повторное поглощение света должны быть сведены к минимуму для высокой эффективности. Для испускания света, видимого человеческому глазу, требуется ширина запрещенной зоны около 2 Å(?), чтобы обеспечить надлежащую энергию фотона, которая производит красно-зеленый свет.
At tрe beginning of the 1970's, the GaAs MESFET device was developed for гsе in circuits such as microwave amplifiers operating in the frequencies range from about 2 to 12 Ghz. The device is fabricated on а base of single-crystal semi-insulating GaAs. А GaAs film containing а closely-controlled concentration of n-type dopant atoms is epitaxially deposited on the GaAs wafer. The devices are con1pleted by etching "mesas" or islands to electrically isolate the device and by adding low resistance contacts and а gate electrode. The gate length is typically 1 mm. В начале 1970-х годов устройство GaES MESFET было разработано для использования в таких схемах, как микроволновые усилители, работающие в диапазоне частот от 2 до 12 ГГц. Устройство изготовлено на основе монокристаллического полуизоляционного GaAs. Пленка GaAs, содержащая строго контролируемую концентрацию легирующих атомов n-типа, эпитаксиально осаждается на пластину GaAs. Устройства завершаются травлением «мезы» или островков для
электрической изоляции устройства и добавлением контактов с низким сопротивлением и электрода затвора. Длина затвора обычно составляет 1 мм.
The first integration of GaAs MESFET transistors into logic gates was done in 1974. These gates have been integrated into gated flip-flop integrated circuits and used for prescalers and time-interval measure ments. These GaAs integrated circuits operate at substantially higher speeds than silicon ICs because of a combination of higher transconductance due to higher substrate resistivity. The higher substrate resistivity in GaAs is а result of its larger bandgap. Semi-insulating GaAs material naturally provides device-to-device electrical isolation. Первая интеграция GaAs MESFET-транзисторов в логические выходы была сделана в 1974 г. Эти вентили были интегрированы в интегральные схемы с триггерами и использовались для предделителей и измерений временных интервалов. Эти интегральные микросхемы GaAs работают на существенно более высоких скоростях, чем кремниевые ИС, из-за сочетания более высокой проводимости из-за более высокого удельного сопротивления подложки. Более высокое удельное сопротивление подложки в GaAs является результатом его большей ширины запрещенной зоны. Полуизолирующий материал GaAs естественным образом обеспечивает электрическую изоляцию между устройствами.
Digital capability in GaAs has passed from the SSI (small-scale integration, ~ 10 gates) realm into the MSI (medium-scale integration, ~ 100 gates), and is headed for LSI (largescale integration, ~ 1000 gates). Fabrication of an 8 x 8 bit parallel multiplier (1008 gates fabricated from approximately 6000 transistors and diodes) has been recently reported, which is the most complex GaAs integrated circuit reported to date. Цифровые возможности в GaAs перешли из сферы SSI (мелкомасштабная интеграция, ~ 10 выходов) в MSI (интеграция среднего масштаба, ~ 100 выходов) и направляются в LSI (крупномасштабная интеграция, ~ 1000 выходов). Недавно было сообщено о производстве параллельного умножителя 8 x 8 бит (1008 выходов, изготовленных из приблизительно 6000 транзисторов и диодов), который является самой сложной интегральной схемой GaAs, о которой когда-либо сообщалось.
GaAs IC technology is being developed to meet important system needs. Advanced systems are faced with challenges which require significant advances in the rate of real-time signal. An attractive objective is to convert analog microwave signals to digital format in a highspeed A/D converter as close as possible to the microwave receiver front, and then to process the data digitally. The bandwidth which can be achieved in GaAs should be capable of permitting digital processing of microwave signals including A/D conversion to become a reality. GaAs IC технология разрабатывается для удовлетворения важных системных потребностей. Передовые системы сталкиваются с проблемами, которые требуют значительных улучшений в скорости передачи сигналов в реальном времени. Привлекательная цель состоит в том, чтобы преобразовать аналоговые микроволновые сигналы в цифровой формат в высокоскоростном аналого-цифровом преобразователе как можно ближе к фронту микроволнового приемника, а затем обработать данные в цифровом виде. Ширина полосы, которая может быть достигнута в GaAs, должна позволять цифровой обработке микроволновых сигналов, включая аналого-цифровое преобразование, стать реальностью.