Технологии создания САПР «Telecom-MWO», развития производства и компьютерного моделирования полевых транзисторов

Эффективным способом решения задач проектирования телекоммуникационных устройств является использование инструментальной среды AWR Microwave Office (AWR MWO) [1-7].

Инструментальная среда aWrMWO написана на объектно-ориентированном языке С++ и легко адаптируется для решения новых прикладных задач, в частности, на ее основе создана система автоматизированного проектирования (САПР) «Telecom-MWO» телекоммуникационных устройств [1-3]. Система работает в многопользовательском сетевом режиме и использует сервер СУБД MySQL 5 и веб-сервер Apache 2. Компьютеры пользователей Pentium IV с оперативной памятью не менее 512 Мб обеспечивают коллективную работу в системе «Telecom-MWO».

В базе данных САПР имеются сведения о математических моделях применяемых элементов, в частности, транзисторов, их параметрах. Математическим моделям транзисторов, описываемых в общем случае системой нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка, соответствуют в САПР модели в виде эквивалентных схем и SPIcE- параметров . Ввод SPIcE- параметров позволяет переходить к решению системы дифференциальных уравнений, которые описывают динамику работы транзисторов в различных режимах.

В статье рассматриваются особенности многопользовательского сетевого режима системы «Telecom-MWO», а также модели полевых тран- зисторов, применяемых при автоматизированном проектировании в среде aWr MWO.

Многопользовательский сетевой режим системы «Telecom–MWO»

Система автоматизированного проектирования «Telecom-MW O» телекоммуникационных устройств создана на основе инструментальной среды AWR Microwave Office. Пакет программ aW r MWO поддерживает однопользовательский режим работы проектирования, при котором для каждого пользователя создается индивидуальное вычислительное ядро системы.

В многопользовательском режиме работы, который поддерживает система проектирования «Telecom-MWO», вычислительное ядро системы единое для всех пользователей САПР. В системе «Telecom-MWO» унифицированный пользовательский интерфейс для решения задач проектирования готовых узлов и блоков устройств без дополнительных знаний о функционировании приложения Microwave Office, а также отсутствие данного приложения на рабочей станции пользователя.

САПР «Telecom-MWO» построена в соответствии с сетевой моделью взаимодействия «клиент-сервер» и основана на технологии web 2.0. На стороне клиента используется стандартный современный интернет-браузер, в котором загружается интерактивный интерфейс пользователя-инженера.

Преимуществом данного подхода является минимизация времени обучения пользователей работе с системой. Основное время уделяется методам проектирования. Кроме того, благодаря такому подходу на сервере САПР сохраняются все этапы проектирования.

На нескольких специализированных серверах располагается ядро САПР, состоящее из трех подсистем:

• -    вычислительная подсистема;

• -    подсистема взаимодействия с вычислительными процессами;

• -    подсистема взаимодействия с пользователями.

Рассмотрим назначение каждой из перечисленных подсистем ядра системы автоматизированного проектирования «Telecom–MWO».

Вычислительная подсистема представляет собой пакет приложений AWR Microwave Office. Вычислительные процессы выполняются на специальном сервере, который имеет большие аппаратные ресурсы по сравнению с рабочими станциями пользователей. Это позволяет значительно сократить время выполнения вычислений и разгрузить пользовательские компьютеры.

Подсистема взаимодействия с вычислительными процессами содержит набор определенных алгоритмов и программ для проектирования и расчета узлов телекоммуникационных устройств на основе aWr MWO. Подсистема позволяет реализовать возможность масштабирования САПР благодаря параллельному выполнению проектных задач на нескольких специализированных серверах, объединенных в единый сетевой кластер.

Количество одновременно выполняемых процессов зависит от числа клиентских лицензий на aWr MWO, а производительность – от количества серверов и их суммарных аппаратных ресурсов.

Подсистема взаимодействия с пользователями содержит набор определенных алгоритмов работыспользователями,представлениевводаис-ходных данных, вывод и сохранение полученных результатов. Она обеспечивает интерактивное управление и контроль процессом проектирования устройств через стандартный интернет-браузер из любой точки сети и упрощает сам процесс проектирования благодаря отсутствию необходимости прямого взаимодействия пользователя с пакетом Microwave Office при сохранении всех преимуществ данного пакета.

В базе данных элементов СВЧ инструментальной среды проектирования aWr MWO имеются сведения о моделях применяемых транзисторов, их параметрах.

Рассмотрим модели полевых транзисторов:

• -    с управляющим переходом JFET (junction fi eld-effect transistor) ;

• -    на основе перехода металл-полупроводник (полевой транзистор с затвором на основе барьера Шоттки) MESFET (metal semiconductor fi eld-effect transistor) ;

• -    на основе перехода металл-оксид-полупро-водник, МОП-транзистор MOSFET (metal-oxide semiconductor fi eld effect transistor) ;

• -    свысокойподвижностьюэлектронов HEMT (high electron mobility transistor) ;

• -    на гетероструктурах HFET (heterostructure fi eld-effect transistor) , которые в настоящее время применяются в системе автоматизирован-

• ного проектирования «TELECOM–MWO» при разработке телекоммуникационных устройств.

Модели полевых транзисторов

JFET (junction fi eld-effect transistor) – полевой транзистор с управляющим переходом, из полевых транзисторов JfET является самым простым и дешевым прибором, который находит применение на частотах до сотен МГц. Подача смещения между затвором и стоком приводит к изменению размера области пространственного заряда перехода затвор-канал (управляющий p-n переход). При этом изменяется сечение проводящего канала для носителей заряда, соответственно, изменяется проводимость канала. На рис. 1 приведена модель полевого транзистора технологии JfET.

Рис.1.Модель полевого транзистора технологии JFET

MESFET (metal semiconductor fi eld-effect transistor) - полевой транзистор на основе перехода металл-полупроводник (полевой транзистор с затвором на основе барьера Шоттки).

Инерционность процессов в затворе на один-два порядка меньше, чем у полевых транзисторов с p-n-переходами и МДП транзисторами (MOSFET) . Кроме того, технология изготовления барьера Шоттки позволяет уменьшать межэлектродные расстояния вплоть до субмикронных разме-ров.Это обстоятельство,а также получение больших скоростей пролета носителей при относительно низкой напряженности поля в арсениде галлия по сравнению с кремни-ем,позволяет существенно снизить времена пролета и повысить граничную частоту усиления.

Мощные полевые транзисторы с барьером Шоттки превосходят биполярные транзисторы по уровню мощности и КПД на высоких частотах. Модель полевого транзистора технологии MESfET приведена на рис. 2.

Рис.2. Модель полевого транзистора технологии MESFET

Рис.3. Модель полевого транзистора технологии MOSFET

MOSFET (metal-oxide semiconductor fi eld effect transistor) – полевой транзистор на основе перехода металл-оксид-полупроводник, МОП-транзистор. МОП-структура, наиболее широко используемая технология производства транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем оксида SiO₂. В общем случае структуру называют МДП (ме-талл-диэлектрик-полупроводник). Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного из двух типов: n или p.

Вся современная цифровая техника основана на транзисторах, созданных по технологии МДП (международный термин – MOSfET). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения памяти, процессора, логики и т. п. Размеры современных транзисторов составляют от 130 до 45 нм.

На одном чипе (обычно размером 1-2 см2 ) размещаются сотни миллионов МОП-транзисторов. В ближайшие годы ожидается увеличение степени интеграции до миллиардов транзисторов на чипе. Уменьшение размеров МОП-транзисторов приводит также к повышению быстродействия процессоров (тактовой частоты).

МДП-транзисторы находят также применение в области телекоммуникаций [8] при построении автогенераторов и усилителей мощности.

На рис. 3 приведена модель полевого транзистора технологии MOSfET.

HEMT (high electron mobility transistor) – транзистор с высокой подвижностью электронов (другие названия: транзистор на селективно легированной гетероструктуре или транзистор с двумерным электронным газом) относится к типу полевых. Отличие от последних заключается в том, что проводящий канал в HEMT-транзисторе целенаправленно создается нелегированным (в полевом транзисторе канал n- или p-типа) для увеличения подвижности носителей заряда в канале и, следовательно, быстродействия прибора. На рис. 4 представлена модель полевого транзистора технологии HEMT.

HFET (heterostructure fi eld-effect transistor) – полевой транзистор на гетероструктурах. Из рассмотренных выше полевых транзисторов технология HfET является в настоящее время наиболее перспективной по мощности, частотному диапазону, КПД и надежности.

На сайте компании Excelics Semiconuctor [9] представлены технические характеристики

Рис.4. Модель полевого транзистора технологии HEMT

Рис.5. Модель полевого транзистора технологии HFET

высокоэффективных мощных арсенидгаллие-вых транзисторов на гетероструктурах (High Efficiency Heterojunction Power FETs) . Модель H fET- транзисторов в инструментальной среде aWr MWO имеет вид, представленной на рис. 5.

Модели на рис. 1-5 учитывают нелинейные свойства усилительного элемента не только в режиме большого сигнала, когда транзистор находится попеременно в режимах насыщения, усиления и отсечки, но и в режиме малого сигнала, когда транзистор работает в режиме усиления. SPIcE- параметры , являющиеся составной частью математической модели транзистора в САПР, определяются типом выбранного транзистора.

В системе «Telecom-MWO» имеется библиотека SPIcE- параметров для транзисторов JfET, MESfET, MOSfET, HEMT, HfET. Кроме того, в сети Internet существуют сайты производителей радиоэлектронных компонентов (Excelics Semiconuctor, NEC, Philips, Motorola и др.), содержащие SPIcE- параметры полевых транзисторов. Если параметры выбранного транзистора отсутствуют в библиотеке системы «TELECOM-MWO», то их численные значения можно ввести, воспользовавшись специальным диалоговым окном (рис.6).

По существу, выбор транзистора, исходя из технических характеристик, автоматически определяет вид модели, которая наиболее адекватно описывает процессы, происходящие в нем. Каждая из данных моделей позволяет достаточно точно провести исследование динамических свойств полевого транзистора, учитывая при этом специфику его статических характеристик.

Перспективы развития технологии производства полевых транзисторов

Благодаря постоянному совершенствованию исходных материалов и технологических процессов характеристики высокочастотных транзисторов достигают все более высоких уровней.

В настоящее время в различных отраслях техники телекоммуникаций нашла широкое применение технология производства мощных высокочастотных транзисторов на основе арсенида галлия (GaAs). Многими компаниями разрабатываются мощные высокочастотные транзисторы сантиметрового и миллиметрового диапазонов на базе нитрида галлия (GaN) и фосфида индия (InP). Усовершенствуется кремниевая технология изготовления транзисторов. Вместо традиционного кремния находят применение кремний-германий (SiGe) и карбид кремния (SiC).

Рис.6. Диалоговое окно ввода SPIcE- параметров

Современные SiGe-приборы успешно конкурируют с СВЧ GaAs-устройствами, предназначенными для беспроводных систем связи, работающих при достаточно низких значениях напряжения и выходной мощности.

Серию мощных карбидкремниевых полевых транзисторов с затвором Шоттки выпустила компания Rockwell Scientific [10].

Мощные SiC-полевые транзисторы выпускает и компания Cree Microwave [11].

Внимание разработчиков мощных ВЧ- и СВЧ-устройств все больше привлекает нитрид галлия – GaN, позволяющий в сравнении с другими полупроводниковыми материалами достичь большой плотности мощности и высокого КПД приборов, а также обеспечивающий минимальное искажение сигнала. Фирма Triquint Semiconductor [12] объявила о разработке мощного GaN-транзистора с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Перспективным рынком для мощных GaN-приборов должны стать беспроводные системы связи третьего поколения (3G-системы).

Выпуск a l G a N/G a N- полевых гетеротранзисторов (HFET) для мобильных систем связи третьего поколения готова начать относительно новая компания Nitronex [13], образованная в 1999 году.

Особенность этих приборов – изготовление по запатентованной компанией технологии, позволяющей выращивать высококачественный нитрид галлия на кремниевых пластинах. Испытания HfET при рабочем токе 2 А и напряжении стока 28 В показали, что коэффициент усиления на малом сигнале равен 16,3 дБ, КПД стока – 62%, выходная мощность в режиме насыщения – 138 Вт. Это рекордное значение мощности для GaN-приборов на кремни- евой подложке, работающих при напряжении стока 28 В.

Компания Nitronex начала поставки опытных образцов мощных a l G a N/G a N HfET на напряжение стока +28 В с выходной мощностью свыше 10 (модель N10) и 20 Вт (модель N20). Коэффициент усиления транзисторов в диапазоне частот 1,82,2 ГГц составляет 11,5 дБ при среднем КПД 25%.

Таким образом, в связи с развитием беспроводных 3G-систем сотовой связи GaN-приборы HfET сейчас представляют собой серьезную конкуренцию широко используемым в усилителях мощности базовых станций MOSfET- транзисто рам. Помимо обеспечения высокой мощности, к важным достоинствам GaN-транзисторов следует отнести повышение надежности и КПД, а также возможность работы при высоких температурах.

Транзисторы HfET и НЕМТ на хорошо отработанном материале – арсениде галлия и фосфиде индия – занимают прочные позиции и в области приборов миллиметрового диапазона [9; 15].

В разделе статьи, посвященном перспективам развития технологии производства полевых транзисторов, использованы материалы, опубликованные на сайтах [10-15].

Заключение

Эффективным способом решения задач проектирования телекоммуникационных устройств является использование инструментальной среды AWR Microwave Office (AWR MWO).

Благодаря многопользовательскому режиму работы, который поддерживает система проектирования «Telecom–MWO», удается значительно повысить производительность труда разработчиков, организовать коллективную работу специа- листов в едином информационном пространстве, улучшить качественные показатели разрабатываемых устройств.

База данных автоматизированной системы проектирования содержит информацию о рассмотренных в статье моделях полевых транзисторов и их SPIcE- параметрах .

Из анализа перспектив развития технологии производства полевых транзисторов следует, что за счет применения новых материалов в производстве транзисторов, а также внедрения транзисторов на гетероструктурах HfET, транзисторов с высокой подвижностью электронов HEMT значительно улучшены характеристики высокочастотных транзисторов, используемых при разработке телекоммуникационных устройств.