Особенности проектирования зарядочувствительных усилителей на арсенид-галлиевом базовом кристалле

Для производства интегральных аналоговых микросхем малой степени интеграции, предназначенных для работы при температуре до минус 200 ℃ и/или при поглощенной дозе гамма-излучения до 5 Мрад, создан арсенид-галлиевый базовый кристалл. Тип применяемых в базовом кристалле активных элементов, а именно: DpHEMT с размерами затворов 100 мкм/0,2 мкм и 10 мкм/0,2 мкм; p-n-p HBT, выбран для реализации наиболее распространенных аналоговых схем операционных усилителей, компараторов, повторителей напряжения. Несмотря на небольшое количество доступных для схемотехнического синтеза DpHEMT с большой крутизной и особенности вольтамперных характеристик экспериментальных образцов DpHEMT, исключающие их применение при малых токах стока, на базовом кристалле возможно проектирование схем зарядочувствительных усилителей (ЗЧУ), содержащих только один тип активного элемента – DpHEMT. При этом правильный выбор рабочей точки транзисторов обеспечивает разработку малошумящих, быстродействующих ЗЧУ с лучшими параметрами по сравнению с кремниевыми ЗЧУ для датчиков с внутренней емкостью до 100 пФ. Так, разработанные на GaAs базовом кристалле ЗЧУ с головными DpHEMT и отношением ширины затвора к его длине, равным W/L = 2000 и W/L = 3000, характеризуются соответственно током потребления I_CC = 5,46 мА и I_CC = 5,25 мА, длительностью фронта нарастания t_R = 10,7 нс и t_R = 9,6 нс, эквивалентным шумовом зарядом ENC = 3960 эл. и ENC = 3700 эл. при емкости датчика 50 пФ, в то время как ЗЧУ с кремниевым головным полевым транзистором, управляемым p-n-переходом и каналом p-типа, имеет W/L = 3870, I_CC = 6,99 мА, t_R = 27,7 нс, ENC = 5360 эл. при той же емкости датчика.

1. Дворников О.В., Павлючик А.А., Прокопенко Н.Н., Чеховский В.А., Кунц А.В., Чумаков В.Е. Арсенид-галлиевый аналоговый базовый кристалл. Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2021;2:47-54. https://doi.org/10.31114/2078-7707-2021-2-47-54.

2. Дворников О.В., Павлючик А.А., Прокопенко Н.Н., Чеховский В.А., Кунц А.В., Чумаков В.Е. Унифицированные схемотехнические решения аналоговых арсенид-галлиевых микросхем. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2022;27(4):475-488. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-4-475-488.

3. Fresina M. Trends in GaAs HBTs for wireless and RF. 2011 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. 2011:150-153. https://doi.org/10.1109/BCTM.2011.6082769.

4. Zampardi P.J., Sun M., Cismaru C. and Li J. Prospects for a BiCFET III-V HBT Process. 2012 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS). 2012: 1-3. https://doi.org/10.1109/CSICS.2012.6340116.

5. Dvornikov O.V., Tchekhovski V.A., Prokopenko N.N. and TitovA. E. Comparison of Fast Response and Noise of Charge-Sensitive Amplifiers with Various Types of Input Fets. 2020 International Symposium on Industrial Electronics and Applications (INDEL), Banja Luka, Bosnia and Herzegovina. 2020:1-6. https://doi.org/10.1109/INDEL50386.2020.9266185.

6. Radeka V. Low-noise techniques in detectors. Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 1988;38:217-277.

7. Dvornikov O.V., Tchekhovski V.A., Prokopenko N.N., Pakhomov I.V. Reducing noises of high-speed Bi-JFET charge-sensitive amplifiers during schematic design. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 862 (2020), 022068IOP. https://doi.org/10.1088/1757-899X/862/2/022068.