CC BY
34СХЕМОТЕХНИКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ CIRCUIT ENGINEERING AND DESIGN
Научная статья
УДК 621.382.33
doi:10.24151/1561-5405-2022-27-4-475-488
Унифицированные схемотехнические решения аналоговых арсенид-галлиевых микросхем
О. В. Дворников1, А. А. Павлючик2, Н. Н. Прокопенко3'4,
5 5 6 3
В. А.Чеховский , А. В. Кунц ' , В. Е. Чумаков
1ОАО «Минский научно-исследовательский приборостроительный институт», г. Минск, Беларусь
ОАО «Минский НИИ радиоматериалов», г. Минск, Беларусь 3Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия
4Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, г. Москва, Россия 5Белорусский государственный университет, г. Минск, Беларусь 6Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, Беларусь
Аннотация. В экспериментальной физике, аэрокосмической электронике и специальных измерительных приборах для обработки сигналов датчиков необходимы аналоговые микросхемы, сохраняющие работоспособность при температуре менее -60 °C и воздействии проникающей радиации. Для этих задач перспективны арсенид-галлиевые микроэлектронные изделия, схемотехника которых находится на начальном этапе развития из-за существенных ограничений на типы применяемых элементов и их характеристики. В работе представлены унифицированные схемотехнические решения арсенид-галлиевых операционных усилителей, компараторов, повторителей напряжения на основе ограниченного количества p-n-p-HBT (Hetero Junction Bipolar Transistor), DpHEMT (Double Channel Pseudo Morphic High Electron Mobility Transistor) и тонкопленочных резисторов. С учетом выполненных измерений создана модель DpHEMT для среды LTspice. Основное внимание уделено разработке новых выходных каскадов аналоговых микросхем. Показано, что однокаскадный операционный усилитель, содержащий только DpHEMT, обеспечивает усиление около 3Т03 и диапазон максимального выходного напряжения ± 2 В при несимметричном биполярном напряжении питания -3 В / 7 В, а двухкаскадный операционный усилитель на основе DpHEMT и p-n-p-HBT имеет усиление около 105 и диапазон максимального выходного напряжения ± 4 В при напряжении питания ± 5 В. Предлагаемые схемотехнические решения рекомендуются для изготовления на арсенид-галлиевом базовом кристалле.
© О. В. Дворников, А. А. Павлючик, Н. Н. Прокопенко, В. А.Чеховский, А. В. Кунц, В. Е. Чумаков, 2022
Ключевые слова: биполярный транзистор с гетеропереходом, арсенид галлия, транзистор с высокой подвижностью электронов, операционный усилитель, компаратор, повторитель напряжения
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 22-29-00637).
Для цитирования: Унифицированные схемотехнические решения аналоговых арсенид-галлиевых микросхем / О. В. Дворников, А. А. Павлючик, Н. Н. Прокопенко и др. // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 4. С. 475-488. doi: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-4-475-488
Original article
Unified circuitry solutions for analog gallium-arsenide microcircuits
O. V. Dvornikov1, A. A. Pavlyuchik2, N. N. Prokopenko34, V. A. Tchekhovski5, A. V. Kunts5'6, V. E. Chumakov3
1 "Minsk Research Instrument-Making Institute " JSC, Minsk, Belarus
2 а уу
"MinskResearch Institute of Radiomaterials" JSC, Minsk, Belarus 3Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia 4Institute for Design Problems in Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 5Belarusian State University, Minsk, Belarus 6Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, Minsk, Belarus
Abstract. In experimental physics, aerospace electronics and special measuring instruments, analog microcircuits that remain functional at temperatures below -60 °C and exposure to penetrating radiation are needed to process sensor signals. Arsenide-gallium microelectronic products are promising for these tasks, the circuitry of which is at an early stage of development due to significant limitations on the types of elements used and their characteristics. In this work, unified circuit solutions for arsenide gallium operational amplifiers, comparators, voltage repeaters based on a limited number of p-n-p-HBT (Hetero Junction Bipolar Transistor), DpHEMT (Double Channel Pseudo Morphic High Electron Mobility Transistor) and thin-film resistors have been developed. Based on the measurements performed, a DpHEMT model for the LTspice environment is created. The main attention is paid to the development of new output stages of analog microcircuits. It is shown that a single-stage operational amplifier containing only DpHEMT provides a gain of about 3-103 and a range of maximum output voltage ± 2 V with an unbalanced bipolar supply voltage of -3 V / 7 V, and a two-stage operational amplifier based on DpHEMT and p-n-p-HBT has a gain of about 105 and a range of maximum output voltage ± 4 V with a supply voltage ± 5 V. The proposed circuit designs are recommended for fabrication on an arsenide gallium base crystal.
Keywords, hetero junction bipolar transistor, gallium arsenide, high electron mobility transistor, operational amplifier, comparator, voltage follower
Finding, the work has been supported by the Russian Science Foundation (project No. 22-29-00637)
For citation, Dvornikov O. V., Pavlyuchik A. A., Prokopenko N. N., Tchekhovski V. A., Kunts A. V., Chumakov V. E. Unified circuitry solutions for analog gallium-arsenide microcircuits. Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 4, pp. 475-488. doi, https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-4-475-488
Введение. Аналоговые интегральные микросхемы (ИМС), сохраняющие работоспособность при температуре менее -60 °С и воздействии проникающей радиации, необходимы для применения в экспериментальной физике, аэрокосмической электронике, измерительной технике. Проектирование аналоговых ИМС для эксплуатации в ограниченной области температур и при воздействии невысоких уровней проникающей радиации обычно выполняется на кремниевых биполярных и полевых транзисторах, управляемых p-n-переходом (Junction Field Effect Transistor, JFET) [1-3]. При этом экономическая эффективность серийного производства малых партий таких изделий обеспечивается за счет применения базовых кристаллов, различных конструкций, в том числе матричных и структурных [4, 5]. Однако для работы при температуре около -200 °С и высоком уровне проникающей радиации во многих случаях применяют ИМС, изготовленные на широкозонных полупроводниковых материалах, например на арсениде галлия GaAs [6-12].
Схемотехнический синтез арсенид-галлиевых аналоговых ИМС затруднен из-за ограниченной номенклатуры допустимых к применению активных интегральных элементов (как правило, используются FET с каналом и-типа) и допустимых сопротивлений резисторов. По этой причине разными коллективами выполнены работы по расширению номенклатуры активных GaAs-элементов, а именно формированию на одной подложке: FET и биполярных и-р-и-транзисторов с гетеропереходом (Hetero Junction Bipolar Transistor, HBT) [13, 14]; p-n-p-HBT с высоким усилением [15, 16]; n-p-n-и p-n-p-HBT [17]; n-p-n-HBT и комплементарных FET [14].
На основе анализа требуемого уровня параметров аналоговых ИМС сделан вывод о применении в качестве активных элементов комплементарной пары в виде p-n-p-HBT и DpHEMT (Double Channel Pseudo Morphic High Electron Mobility Transistor) и необходимости разработки технологического маршрута их изготовления на одной GaAs-подложке.
В настоящей работе рассматриваются унифицированные схемотехнические решения основных компонентов арсенид-галлиевых аналоговых ИМС, синтезированных на ограниченном количестве p-n-p-HBT и DpHEMT и ориентированных на изготовление в виде базового кристалла.
Описание применяемых интегральных элементов. Для схемотехнического синтеза аналоговых ИМС выбраны следующие элементы: DpHEMT с шириной затвора W = 100 мкм, W = 10 мкм и длиной L = 0,2 мкм, p-n-p-HBT, тонкопленочные резисторы по 5 кОм с поверхностным сопротивлением 250 Ом/^ и конденсаторы по 1 пФ со структурой металл - диэлектрик - металл и удельной емкостью 0,23 фФ/мкм . Такой набор элементов позволяет значительно улучшить характеристики аналоговых ИМС, в том числе:
- увеличить усиление входных каскадов и уменьшить уровень шумов, отнесенных к входу, за счет большой крутизны gM DpHEMT при относительно малом токе стока ID;
- реализовать простые каскады сдвига уровня постоянного напряжения на p-n-p-HBT;
- увеличить диапазон рабочего напряжения усилительных каскадов и сделать возможным выполнение двухтактных выходных каскадов при одновременном использовании DpHEMT и p-n-p-HBT;
- обеспечить проектирование малошумящих зарядочувствительных усилителей благодаря применению головного DpHEMT с высоким отношением gM к входной емкости Cinp.
Отказ от масштабирования W/L для DpHEMT принят на основе результатов измерений ВАХ тестовых структур, которые выявили следующее.
1. Транзисторы DpHEMT с W/L=1000 мкм/0,2 мкм подвержены самовозбуждению. ВАХ этих транзисторов невозможно зарегистрировать без применения фильтрующих цепей, расположенных максимально близко к выводам транзистора на кристалле. Однако в этом случае затруднительно точно идентифицировать Spice-параметры по результатам измерений.
2. Увеличение длины затвора DpHEMT до 1 мкм не привело к резкому увеличению выходного малосигнального сопротивления.
3. Как следует из выходной ВАХ, в схеме с общим истоком транзистора с W/L = 10 мкм/0,2 мкм (рис. 1, а) DpHEMT имеют две области ВАХ с резко различающимся выходным малосигнальным сопротивлением только при небольшом обратном напряжении затвор - исток |Fgs| < 0,4 В для напряжения отсечки VTH = -0,95 В. Под напряжением отсечки понимается VTH = VGS при токе стока ID =1 мкА и напряжении сток - исток VDS > |VTH|. При |Vgs| > 0,6 В ВАХ DpHEMT имеет вид, подобный управляемому резистору, и эту область не рекомендуется применять в усилительных каскадах, так как она не обеспечит требуемого высокого усиления.
4. Последовательное (классическое каскодное) соединение двух одинаковых DpHEMT (рис. 1, б) обеспечивает увеличение выходного малосигнального сопротивления, которого достаточно для большинства применений в аналоговых ИМС.
Рис. 1. Выходные ВАХ в схеме с общим истоком при разных VGS DpHEMT (W/L = 10 мкм/0,2 мкм): а - отдельный транзистор; б - последовательное соединение двух транзисторов Fig. 1. Output DpHEMT VAC in a circuit with a common source with différents VGS (W/L = 10 microns/0.2 microns): a - a separate transistor, b - a serial connection of two transistors
Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема DpHEMT для LTSpice Fig. 2. Equivalent DpHEMT electrical circuit for LTSpice
На основе выполненных измерений создана макромодель DpHEMT для программы LTSpice в виде подсхемы (рис. 2), параметры которой определены для области ВАХ |Vgs| < 0,4 В. Из-за отсутствия в настоящее время образцов р-п-р-НВТ Spice-парамет-ры его модели идентифицированы по результатам измерений, приведенных в работах [16, 17], и будут уточнены в дальнейшем. Результаты моделирования ВАХ p-n-p-HBT с применяемой при схемотехническом проектировании моделью показаны на рис. 3-5 [18].
Как следует из рис. 3 и 5, применяемая модель описывает p-n-p-HBT с относительно невысоким уровнем параметров, а именно наличием тока утечки между выводами коллектор - эмиттер около 1 мкА и малым ß при эмиттерном токе менее Рис. 3. Зависимость тока коллектора IC и базы IB 100 мкА. Поэтому можно предположить, p-n-p-HBT от шпряжетия эмиттер - fea Veb
что полученные результаты схемотехниче- „ ^ , при VCB = 0
_ Fig. 3. Dependence of collector current IC and base
ского м°делир°вания разработанн^1х схем current Ib p-n-p HBT on emitter-base voltage Veb относятся к наихудшему случаю. at vCB = 0
Iq, мА
■4,5 -I-i-г-i-1-i-
-6 -5 -4 -3 -2 -1 КС£. В
Рис. 4. Выходная ВАХ p-n-p-HBT в схеме
с общим эмиттером Fig. 4. Output VAC of p—n—p HBT in a circuit with a common emitter
Рис. 5. Зависимость коэффициента усиления в базового тока p-n-p-HBT от эмиттерного тока IE:
1 - VCB = 0; 2 - VCB = -1 В Fig. 5. Dependence of the base current gain в of the p-n-p HBT on the emitter current IE: 1 - VCB = 0; 2 - Vcb = -1 V
Улучшение параметров электрических схем аналоговых компонентов. При
схемотехническом синтезе за основу взяты ИМС, рассмотренные в [18]. Особое внимание уделено увеличению крутизны входных транзисторов за счет параллельного соединения нескольких транзисторов с W/L = 100 мкм/0,2 мкм; увеличению (при необходимости) выходного малосигнального сопротивления с применением последовательного соединения транзисторов с W/L =10 мкм/0,2 мкм; введению симметричной активной нагрузки в дифференциальные каскады для обеспечения приемлемого значения напряжения смещения нуля Voff операционных усилителей без внешних корректирующих цепей.
В табл. 1 представлены результаты моделирования параметров, разработанные электрические схемы ИМС для программы LTSpice приведены на рис. 6.
Таблица 1
Результаты схемотехнического моделирования операционных усилителей
Table 1
Results of circuit modeling of the OAmps
Параметр Операционный усилитель
GaAs OAmp1 GaAs OAmp2 GaAs OAmp3
Напряжение питания, В -3/7 -5/5 -5/5
Ток потребления в режиме холостого хода, мА 0,570 0,646 1,141
Напряжение смещения нуля, мВ 1,3 -0,19 -0,18
Коэффициент усиления напряжения 2,9Т03 105 105
Максимальное выходное напряжение -2,50/2,23 -4,41/4,52 -4,25/4,45
при сопротивлении нагрузки RLOAD = 100 кОм, В
Частота единичного усиления, МГц 203* 52** 52**
Запас фазы при частоте единичного 54* 54** 54**
усиления, град
*C1 = 1,5 пФ **C1 = 20 пФ
Рис. 6. Электрические схемы GaAs_OAmp1 (а), GaAs_OAmp2 (б) Fig. 6. Electrical circuits of GaAs_OAmp1 (a), GaAs_OAmp2 (b)
в
Рис. 6. Электрическая схема GaAs_OAmp3 (в) Fig. 6. Electrical circuit of GaAs_OAmp3 (с)
Все БрИЕМТ на электрических схемах имеют размер затвора W/L = 10 мкм/0,2 мкм, который на рисунках не указан. Размер затвора приведен только для БрИЕМТ при W/L = 100 мкм/0,2 мкм. Требуемое значение сопротивления получено параллельно-последовательным соединением 5-кОм резисторов. Так, резистор К2 на рис. 6, а состоит из последовательного соединения одного 5-кОм резистора и трех параллельно соединенных 5-кОм резисторов.
Во всех операционных усилителях применен одинаковый дифференциальный каскад, состоящий из входных транзисторов с большой крутизной Х12-Х14 и X15-X17, каскодных транзисторов X10, XII, источников тока X18, К5 и X19, К6, нагрузки входных транзисторов XI, X5, и X4, X8, Я4, нагрузки каскодных транзисторов X2, X6, К2 и X3, X7, КЗ. Такое схемотехническое решение обычно применяется в каскодных 1БЕТ для обеспечения большого усиления напряжения [19]. Так, большая крутизна Х12-Х14 обеспечивается благодаря большому отношению W/L и значительной величине тока стока. В то же время большая часть постоянного тока стока транзисторов Х12-Х14 протекает через их нагрузку XI, Х5, К1 в источник положительного напряжения Усе, а меньшая часть - через Х10, что позволяет включить в сток Х10 большое нагрузочное сопротивление и увеличить усиление по напряжению. Отметим, что параметры элементов выбраны таким образом, что практически вся переменная составляющая тока стока Х12-Х14 протекает по низкому сопротивлению истока Х10, а не по высокому сопротивлению нагрузки XI, Х5, К1. На транзисторах Х9, Х20 с цепочкой последовательно соединенных диодов XD1-XD9 реализован выходной истоковый повторитель. Конденсатор с1 применен для коррекции амплитудно-частотной характеристики и получения требуемого запаса по фазе для заданного коэффициента усиления.
В ОаЛБ_ОЛшр1 в качестве активных элементов применены только БрИЕМТ, типовое значение напряжения отсечки которых составляет около -1 В, поэтому для обеспечения симметричного биполярного выходного напряжения используется несимметричное напряжение питания -3 В и +7 В. Последний недостаток устранен в опера-
ционных усилителях GaAs_OAmp2, GaAs_OAmp3 (рис. 6, б, в), в которых для сдвига постоянного уровня и одновременного увеличения коэффициента усиления напряжения использован p-n-p-HBT X21, включенный по схеме с общей базой. Кроме того, в GaAs_OAmp3 предусмотрен двухтактный выходной каскад для работы с малым сопротивлением нагрузки RLoAD. Усилитель GaAs_OAmp1 допустимо применять в качестве компаратора. В этом случае рекомендуется объединенные затворы X2, X6 соединять не со стоком X10, а со стоком XII. Таким образом реализуется цепь положительной обратной связи [20], почти в 2,2 раза увеличивающая коэффициент усиления по напряжению.
Особое внимание уделено разработке новых выходных каскадов (рис. 7) [21]. На рис. 7, а показан первоначально разработанный выходной каскад, примененный в GaAs_OAmp3. Отметим, что его использование значительно увеличивает ток потребления операционного усилителя. Для адекватного сравнения схем в модернизированном выходном каскаде (рис. 7, б) применено такое же количество НВТ, как и на рис. 7, а, а сопротивление резистора R5 выбрано таким образом, чтобы диапазон выходного напряжения каскадов при RЮAD = 2 кОм был одинаковым. Как видно из табл. 2, ток потребления модернизированного выходного каскада (см. рис. 7, б) при указанных условиях почти в 4,1 раза меньше, чем ток первоначального каскада (см. рис. 7, а).
Рис. 7. Двухтактные выходные каскады арсенид-галлиевых аналоговых микросхем: а - первоначальный; б, в - модернизированные Fig. 7. Push-pull output stages of GaAs analog circuits: a - initial; b, c - upgraded
Таблица 2
Результаты схемотехнического моделирования выходных каскадов
Table 2
Results of circuit modeling of output stages
Параметр Схема
рис. 7, а рис. 7, б рис. 7, в
Напряжение питания, В -5/5 -5/5 -5/5
Ток потребления в режиме холостого хода, мА 0,681 0,167 0,686
Максимальное выходное напряжение при RLOЛD = 2 кОм, В -2,85/4,43 -2,76/4,47 -2,76/3,89
Диапазон изменения коэффициента передачи при изменении входного напряжения от -2,7 В до 2,7 В и Яшлв = 2 кОм от 0,737 до 0,946 от 0,766 до 0,910 от 0,997 до 0,998
Выходное напряжение при Уш = 0 и RLOЛD = 2 кОм, мВ -499,1 -565,2 -6,5
Постоянное выходное напряжение каскадов (см. рис. 7, а, б) не равно входному, а дифференциальный коэффициент передачи Кв = ДУои/ДУда зависит от уровня постоянного входного напряжения Уда, т. е. от величины и направления тока, протекающего через нагрузочный резистор Яшлв. Такая особенность выходных каскадов не является недостатком при их применении в операционных усилителях, в которых сдвиг выходного напряжения относительно входного в выходном каскаде обычно не вносит существенного вклада в Уорр по сравнению с другими факторами (несимметричной нагрузкой во входном дифференциальном каскаде и влиянием схемы преобразования дифференциального сигнала в синфазный), а зависимость Кв = У(Уда) выходного каскада компенсируется действием отрицательной обратной связи, охватывающей операционный усилитель.
Выходной каскад (см. рис. 7, в) рекомендуется для использования в качестве отдельного повторителя напряжения. В нем применен простой операционный усилитель (X17-X23), действие которого обеспечивает равенство потенциалов в узлах 1п и Ои3 (на входе и выходе повторителя напряжения) без зависимости от значения и направления тока, протекающего через нагрузку Яюлю, подключаемую к узлу Ои3. К недостаткам такого повторителя можно отнести необходимость соединения коллектора X22 с конденсатором, обеспечивающим отсутствие самовозбуждения и увеличивающим площадь кристалла, занимаемую выходным каскадом.
Заключение. Для производства ИМС малой степени интеграции, предназначенных для экстремальных условий эксплуатации, перспективны предлагаемые в статье унифицированные по номенклатуре, размерам применяемых р-п-р-НВТ и БрИЕМТ, сопротивлениям используемых резисторов схемотехнические решения арсенид-галлиевых операционных усилителей, компараторов, повторителей напряжения. Рассмотренная схемотехника ИМС ориентирована на изготовление в виде специального базового кристалла, который содержит на одной подложке все сформированные активные и пассивные элементы, а реализация конкретных аналоговых схем с требуемым уровнем параметров осуществляется путем формирования двух уровней межсоединений.
Представленные результаты моделирования ИМС в среде ЬТБрюе показывают, что по достигнутому уровню параметров предлагаемые схемотехнические решения могут быть рекомендованы для применения в устройствах обработки аналоговых сигналов датчиков.
Литература
1. Учет одновременного воздействия низких температур и проникающей радиации на характеристики биполярных и JFET транзисторов при схемотехническом моделировании / О. В. Дворников, В. А. Чеховский, Н. Н. Прокопенко и др. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2020. № 1. С. 46-55. doi: https://doi.org/10.31114/2078-7707-2020-1-46-55
2. Прокопенко Н. Н., Дворников О. В., Бугакова А. В. Проектирование низкотемпературных и радиационно-стойких аналоговых микросхем для обработки сигналов датчиков: монография. М.: Солон-Пресс, 2021. 200 с.
3. Проектирование компараторов напряжений на базе элементов радиационно-стойкого низкотемпературного BiJFET базового матричного кристалла МН2ХА030 / О. В. Дворников, Н. Н. Прокопенко, В. А. Чеховский и др. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2018. № 4. С. 10-16. doi: https://doi.org/10.31114/2078-7707-2018-4-10-16
4. Проектирование аналоговых микросхем для экстремальных условий эксплуатации на основе базового матричного кристалла МН2ХА031 / О. В. Дворников, В. А. Чеховский, Н. Н. Прокопенко и др. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2021. № 2. С. 37-46. doi: https://doi.org/10.31114/2078-7707-2021-2-37-46
5. Дворников О. В., Дятлов В. Л., Прокопенко Н. Н., Чеховский В. А. Базовый структурный кристалл для изготовления аналоговых интерфейсов малочувствительных к проникающим излучениям // Радиотехника и электроника. 2017. Т. 62. № 10. С. 1031-1038. doi: https://doi.org/10.7868/ 80033849417090078
6. Citterio M., Rescia S., Radeka V. Radiation effects at cryogenic temperatures in Si-JFET, GaAs MESFET, and MOSFET devices // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1995. Vol. 42. Iss. 6. P. 2266-2270. doi: https://doi.org/10.1109/23.489425
7. High temperature MESFET based integrated circuits operating up to 300/spl deg/C / J. Wurfl, B. Janke, E. Nebauer et al. // International Electron Devices Meeting. Technical Digest. San Francisco, CA: IEEE, 1996. P. 219-222. doi: https://doi.org/10.1109/IEDM.1996.553572
8. Cryogenic ultra-low power dissipation operational amplifiers with GaAs JFETs / Y. Hibi, H. Matsuo, H. Ikeda et al. // Cryogenics. 2016. Vol. 73. P. 8-13. doi: https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2015.10.006
9. Camin D. V., Fedyakin N., Pessina G., Previtali A. E. Monolithic cryogenic preamplifiers based on large gate-area GaAs MESFETs // Proceedings of 1994 IEEE Nuclear Science Symposium - NSS'94. Norfolk, VA: IEEE, 1994. Vol. 1. P. 266-269. doi: https://doi.org/10.1109/NSSMIC.1994.474414
10. Monolithic GaAs current-sensitive cryogenic preamplifier for calorimetry applications / G. Battistoni, D. V. Camin, N. Fedyakin et al. // Nuclear Physics B - Proceedings Supplements. 1998. Vol. 61. Iss. 3. P. 511-519. doi: https://doi.org/10.1016/S0920-5632(97)00611-7
11. Cryogenic performance of monolithic MESFET preamplifiers for LAr calorimetry / G. Battistoni, D. V. Camin, N. Fedyakin et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1997. Vol. 395. Iss. 1. P. 134-140. doi: https://doi.org/10.1016/S0168-9002(97)00627-X
12. Camin D., Pessina G. Cryogenic ASICs in GaAs for applications with particle detectors // J. Phys. IV France. 1996. Vol. 06. No. C3. P. C3-225-C3-230. doi: https://doi.org/10.1051/jp4:1996334
13. Fresina M. Trends in GaAs HBTs for wireless and RF //2011 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. Atlanta, GA: IEEE, 2011. P. 150-153. doi: https://doi.org/10.1109/BCTM.2011.6082769
14. Zampardi P. J., Sun M., Cismaru C., Li J. Prospects for a BiCFET III-V HBT Process // 2012 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS). La Jolla, CA: IEEE, 2012. P. 1-3. doi: https://doi.org/10.1109/CSICS.2012.6340116
15. Electrical properties of the InP/InGaAs pnp heterostructure-emitter bipolar transistor / J. H. Tsai, W. Ch. Liu, D. F. Guo et al. // Semiconductors. 2008. Vol. 42. P. 346-349. doi: https://doi.org/10.1134/ S1063782608030196
16. Liu W., HillD., Costa D., Harris J. S. High-performance microwave AlGaAs-InGaAs Pnp HBT with high-DC current gain // IEEE Microwave and Guided Wave Letters. 1992. Vol. 2. Iss. 8. P. 331-333. doi: https://doi.org/10.1109/75.153604
17. Integrated complementary HBT microwave push-pull and Darlington amplifiers with PNP active loads / K. W. Kobayashi, D. K. Umemoto, J. R. Velebir et al. // GaAs IC Symposium Technical Digest 1992. Miami Beach, FL: IEEE, 1992. P. 313-316. doi: https://doi.org/10.1109/GAAS.1992.247281
18. Арсенид-галлиевый аналоговый базовый кристалл / О. В. Дворников, А. А. Павлючик, Н. Н. Прокопенко и др. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2021. № 2. С. 47-54. doi: https://doi.org/10.31114/2078-7707-2021-2-47-54
19. Dvornikov O. V., Tchekhovski V. A., Prokopenko N. N., Titov A. 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: IEEE, 2020. P. 1-6. doi: https://doi.org/10.1109/ INDEL50386.2020.9266185
20. Lan D., Ning Y., Wang J., Jiang H. High performance two-stage bootstrapped GaAs comparator with gain enhancement // 2015 IEEE 16th Annual Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON). Cocoa Beach, FL: IEEE, 2015. P. 1-4. doi: https://doi.org/10.1109/WAMIC0N.2015.7120379
21. Chumakov V., Pakhomov I., Klejmenkin D. V., Kunts A. Gallium arsenide buffer amplifier: preprint // TechRxiv [Электронный ресурс]. 2021. URL: https://doi.org/10.36227/techrxiv.17194979.v1 (дата обращения: 17.05.2022).
Статья поступила в редакцию 28.12.2021 г.; одобрена после рецензирования 29.03.2022 г.;
принята к публикации 07.07.2022 г.
Информация об авторах
Дворников Олег Владимирович - доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник ОАО «Минский научно-исследовательский приборостроительный институт» (Беларусь, 220113, г. Минск, ул. Якуба Коласа 73), [email protected]
Павлючик Алексей Арсеньевич - заместитель директора по научной работе и инновациям - начальник НПЦ «Технология» ОАО «Минский НИИ радиоматериалов» (Беларусь, 220024, г. Минск, ул. Лейтенанта Кижеватова, 86, корп. 2), mniirm@mniirm .by
Прокопенко Николай Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационных систем и радиотехники Донского государственного технического университета (Россия, 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1); заведующий Научно-исследовательской лабораторией проблем проектирования в экстремальной микроэлектронике Института проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (Россия, 124365, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Советская, 3) и Донского государственного технического университета (Россия, 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), [email protected]
Чеховский Владимир Алексеевич - заведующий лабораторией электронных методов и средств эксперимента Института ядерных проблем Белорусского государственного университета (Беларусь, 220045, г. Минск, ул. Академика Курчатова, 7), [email protected]
Кунц Алексей Вадимович - аспирант кафедры микро- и наноэлектроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (Беларусь, 220013, г. Минск, ул. Петруся Бровки, 6), [email protected]
Чумаков Владислав Евгеньевич - аспирант кафедры информационных систем и радиотехники Донского государственного технического университета (Россия, 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), [email protected]
References
1. Dvornikov O. V., Tchekhovski V. A., Prokopenko N. N., Galkin Ya. D., Kunts A. V. Taking into account the simultaneous effect of low temperatures and penetrating radiation on the characteristics of the bipolar and JFETs in circuit simulation. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem (MES) = Problems of Development of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems (MES), 2020, no. 1, pp. 46-55. (In Russian). doi: https://doi.org/10.31114/2078-7707-2020-1-46-55
2. Prokopenko N. N., Dvornikov O. V., Bugakova A. V. Design of low temperature and radiation-resistant analog ICs for sensor signal processing. Moscow, Solon-Press Publ., 2021. 200 p. (In Russian).
3. Dvornikov O. V., Chekhovsky V. A., Dzyatlau V. L., Prokopenko N. N., Budyakov P. S. Design of voltage comparators based on the elements of the radiation-hardened low-temperature BiJFET array chip MH2XA030. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem (MES) = Problems of Development of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems (MES), 2018, no. 4, pp. 10-16. (In Russian). doi: https://doi.org/10.31114/2078-7707-2018-4-10-16
4. Dvornikov O. V., Tchekhovsky V. A., Prokopenko N. N., Galkin Y. D., Kunts A. V., Chumakov V. E. Analog integrated circuits design for extreme environmental conditions on the base of master slice array MH2XA031. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem (MES) = Problems of Development of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems (MES), 2021, no. 2, pp. 37-46. (In Russian). doi: https://doi.org/10.31114/2078-7707-2021-2-37-46
5. Dvornikov O. V., Dyatlov V. L., Prokopenko N. N., Chekhovskii V. A. Configurable structured array for fabrication of radiation-hardened analog interfaces. J. Commun. Technol. Electron., 2017, vol. 62, iss. 10, pp. 1193-1199. doi: https://doi.org/10.1134/S1064226917090078
6. Citterio M., Rescia S., Radeka V. Radiation effects at cryogenic temperatures in Si-JFET, GaAs MESFET, and MOSFET devices. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1995, vol. 42, iss. 6, pp. 2266-2270. doi: https://doi.org/10.1109/23.489425
7. Wurfl J., Janke B., Nebauer E., Thierbach S., Wolter P. High temperature MESFET based integrated circuits operating up to 300/spl deg/C. International Electron Devices Meeting. Technical Digest. San Francisco, CA, IEEE, 1996, pp. 219-222. doi: https://doi.org/10.1109/IEDM.1996.553572
8. Hibi Y., Matsuo H., Ikeda H., Fujiwara M., Kang L., Chen J., Wu P. Cryogenic ultra-low power dissipation operational amplifiers with GaAs JFETs. Cryogenics, 2016, vol. 73, pp. 8-13. doi: https://doi.org/ 10.1016/j.cryogenics.2015.10.006
9. Camin D. V., Fedyakin N., Pessina G., Previtali A. E. Monolithic cryogenic preamplifiers based on large gate-area GaAs MESFETs. Proceedings of 1994 IEEE Nuclear Science Symposium - NSS'94. Norfolk, VA, IEEE, 1994, vol. 1, pp. 266-269. doi: https://doi.org/10.1109/NSSMIC.1994.474414
10. Battistoni G., Camin D. V., Fedyakin N., Pessina G., Sala P. Monolithic GaAs current-sensitive cryogenic preamplifier for calorimetry applications. Nuclear Physics B - Proceedings Supplements, 1998, vol. 61, iss. 3, pp. 511-519. doi: https://doi.org/10.1016/S0920-5632(97)00611-7
11. Battistoni G., Camin D. V., Fedyakin N., Pessina G., Sironi M. Cryogenic performance of monolithic MESFET preamplifiers for LAr calorimetry. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1997, vol. 395, iss. 1, pp. 134-140. doi: https://doi.org/10.1016/S0168-9002(97)00627-X
12. Camin D., Pessina G. Cryogenic ASICs in GaAs for applications with particle detectors. J. Phys. IV France, 1996, vol. 06, no. C3, pp. C3-225-C3-230. doi: https://doi.org/10.1051/jp4:1996334
13. Fresina M. Trends in GaAs HBTs for wireless and RF. 2011 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting. Atlanta, GA, IEEE, 2011, pp. 150-153. doi: https://doi.org/10.1109/BCTM.2011.6082769
14. Zampardi P. J., Sun M., Cismaru C., Li J. Prospects for a BiCFET III-V HBT process. 2012 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS). La Jolla, CA, IEEE, 2012, pp. 1-3. doi: https://doi.org/10.1109/CSICS.2012.6340116
15. Tsai J. H., Liu W. Ch., Guo D .F., Kang Y. Ch., Chiu Sh. Y., Lour W. Sh. Electrical properties of the InP/InGaAs pnp heterostructure-emitter bipolar transistor. Semiconductors, 2008, vol. 42, pp. 346-349. doi: https://doi.org/10.1134/S1063782608030196
16. Liu W., Hill D., Costa D., Harris J. S. High-performance microwave AlGaAs-InGaAs Pnp HBT with high-DC current gain. IEEE Microwave and Guided Wave Letters, 1992, vol. 2, iss. 8, pp. 331-333. doi: https://doi.org/10.1109/75.153604
17. Kobayashi K. W., Umemoto D. K., Velebir J. R., Streit D. C., Oki A. K. Integrated complementary HBT microwave push-pull and Darlington amplifiers with PNP active loads. GaAs IC Symposium Technical Digest 1992. Miami Beach, FL, IEEE, 1992, pp. 313-316. doi: https://doi.org/10.1109/GAAS.1992.247281
18. Dvornikov O. V., Paulyuchyk A. A., Prokopenko N. N., Tchekhovsky V. A., Kunts A. V., Chumakov V. E. GaAs analog master slice. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem (MES) = Problems of Development of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems (MES), 2021, no. 2, pp. 47-54. doi: https://doi.org/10.31114/2078-7707-2021-2-47-54
19. Dvornikov O. V., Tchekhovski V. A., Prokopenko N. N., Titov A. 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, IEEE, 2020, pp. 1-6. doi: https://doi.org/ 10.1109/INDEL50386.2020.9266185
20. Lan D., Ning Y., Wang J., Jiang H. High performance two-stage bootstrapped GaAs comparator with gain enhancement. 2015 IEEE 16th Annual Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON). Cocoa Beech, FL, IEEE, 2015, pp. 1-4. doi: https://doi.org/10.1109/WAMIC0N.2015.7120379
21. Chumakov V., Pakhomov I., Klejmenkin D. V., Kunts A. Gallium arsenide buffer amplifier, preprint. TechRxiv. 2021. Available at: https://doi.org/10.36227/techrxiv.17194979.v1 (accessed: 17.05.2022).
The article was submitted 28.12.2021; approved after reviewing 29.03.2022;
accepted for publication 07.07.2022.
Information about the authors
Oleg V. Dvornikov - Dr. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Chief Researcher, "Minsk Scientific Research Instrument-Making Institute" JSC (Belarus, 220113, Minsk, Yakub Kolas st., 73), [email protected]
Alexey A. Pavlyuchik - Deputy Director for Research and Innovation - Head of the SPC "Technology", "Minsk Research Institute of Radio Materials" JSC (Belarus, 220024, Minsk, Lieutenant Kizhevatov st., 86, bld. 2), [email protected]
Nikolay N. Prokopenko - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Information Systems and Radio Engineering Department, Don State Technical University (Russia, 344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1); Head of the Research Laboratory of Design Problems in Extreme Microelectronics, Institute for Design Problems in Microelectronics of the Russian Academy of Sciences (Russia, 124365, Moscow, Zelenograd, Sovetskaya st., 3) and Don State Technical University (Russia, 344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1), prokopenko@ss su.ru
Vladimir A. Tchekhovski - Head of the Electronic Methods and Experimental Means Laboratory, Institute of Nuclear Problems, Belarusian State University (Belarus, 220045, Minsk, Akademik Kurchatov st., 7), [email protected]
Alexey V. Kunts - PhD student of the Micro and Nanoelectronics Department, Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics (Belarus, 220013, Minsk, Petrus Brovka st., 6), [email protected]
Vladislav E. Chumakov - PhD student of the Information Systems and Radio Engineering Department, Don State Technical University (Russia, 344000, Rostov-on-Don, Gagarin sq., 1), [email protected]
