UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 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

2 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. 2

3 SUMÁRIO 1. RESUMO INTRODUÇÃO FAMÍLIA ECL DE COMPONENTES Funcionamento Características da família ECL Aplicações TRANSISTOR BIPOLAR DE HETEROJUNÇÃO Descrição: Modelo das bandas Propriedades Aplicações TECNOLOGIA BiCMOS TECNOLOGIA BiCMOS COM TRANSISTOR DE HETEROJUNÇÃO CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA ANEXOS 9.1 Anexo 1 Datashett componente ECL Anexo 2 Datasheet componente com Heterojunção

4 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. 4

5 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 B Z1 Z Tabela 1 Tabela verdade porta ECL 5

6 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. 6

7 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 7

8 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. 8

9 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 GHz suporta esquemas de modulação QAM e incluem VCO, prescaler e cadeias de amplificadores. 9

10 O segundo resultado foi um receptor de 650 GHz, com uma antena integrada. Esse circuito trabalha com largura de banda entre GHz. 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 10

11 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. 11

12 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] [6] 12

13 ANEXO 1 Datasheet componente ECL 13

14 14

15 ANEXO 2 Datasheet Componente com Heterojunção 15