تحليل الدوائر الكهربائية التناظرية المدمجة لأجهزة الاستشعار

تظهر تطورت الإلكترونيات الرقمية القائمة على السيليكون على مدى عقود من خلال عملية توسع قوية تتبع “قانون مور” مع هياكل أجهزة معقدة بشكل متزايد، وفي الوقت نفسه استمرت الإلكترونيات ذات المساحة الكبيرة في الاعتماد على نفس بنية الترانزستور ذات التأثير الميداني مع الحد الأدنى من التطور، بحيث أدى هذا القيد إلى تصميمات أقل من مثالية للدوائر الكهربائية.

أهمية تحليل الدوائر الكهربائية التناظرية المدمجة لأجهزة الاستشعار

تنضج الإلكترونيات المرنة والمطبوعة الآن من تقنية مستقبلية واعدة، وذلك ليتم اعتبارها ناشئة، ومع تصور مجالات الاستخدام المحتملة بمعدل أسرع من التقدم في التطبيقات الجاهزة للإنتاج؛ تعوق قيود التصميم التي يفرضها استخدام هياكل الترانزستور الرقيقة التقليدية (TFT) العديد من الفرص غير العادية، وعلى الرغم من عدم وجود قيود على تخيل التطبيقات القيمة، مثل الإلكترونيات المستخدمة في الجانب العملي.

لذلك؛ فإن تحقيقها يتطلب إنتاجية تصنيع منخفضة التكلفة وعالية الإنتاجية، وهو أمر يمثل تحدياً كبيراً في الوقت الحالي، كما يتطلب تحقيق الإلكترونيات المتقدمة ذات المساحة الكبيرة (LAE) تصميمات للأجهزة تتمتع بدرجة عالية من التوحيد والموثوقية والمتانة ودوائر تحتوي على أقل عدد من المكونات لتقليل فقد العائد بسبب التباين.

حالياً؛ فإن العنصر الأساسي للغالبية العظمى من (LAE) هو (TFT)، والذي يعتمد على مبادئ ترانزستور التأثير الميداني التقليدي (FET)، حيث أن الموصلية الصافية لقناة أشباه الموصلات الخاصة بها، بما في ذلك الاختلافات في فجوة استنزاف المصدر وتأثيرات القناة القصيرة وتغيرات عتبة الجهد الكهربائي (V) أثناء التصنيع وتحت إجهاد التحيز، كذلك لها تأثير سلبي على أداء الدائرة التناظرية وترددات التشغيل.

كما أن التطورات الحديثة في تصميم الجهاز، والتي تهدف إلى التخفيف من هذه القيود، لذلك قد توفر حلاً فقط للدوائر الصغيرة، حيث أن ضرورة ضبط الجهاز على حدة يقلل بشكل كبير من قابلية تطبيقه على الدوائر ذات الوظائف الأكثر تعقيداً، كما تتضمن تقنيات الحد من تأثير عدم مثالية (TFT) استخدام دوائر التعويض، والتي تتراوح من الترميز الأولي أو مراحل الكسب الإضافية، إلى التغذية المرتدة والتشغيل والتوقيت المعقد ودوائر التحميل المسبق.

دور الترانزستورات في الدوائر الكهربائية التناظرية المدمجة

الترانزستور ذو البوابة المصدر (SGT) عبارة عن هيكل (TFT) بآليات تشغيل مختلفة إلى حد كبير عن (FETs) التقليدية، لذلك لقد أظهر (SGT) فوائد ملحوظة، وهي جهد كهربائي بتشبع أقل وكسب مرتفع واستهلاك منخفض للطاقة، ولا سيما التوحيد الفائق والمتانة الكهربائية، ومع ذلك ؛ فإن هناك عيوب ناتجة عن انخفاض كثافة التيار (بسبب حقن الشحنة فوق حاجز الطاقة الذي تم إدخاله عن قصد في المصدر) وزيادة السعة (نتيجة للمصدر المتدرج وأقطاب البوابة).

كما أن الموصلية المنخفضة نسبياً (gm) وتردد التشغيل (fT) على التوالي، ومع ذلك؛ فإن حاجز الطاقة (ΦB) عند المصدر وتداخل بوابة المصدر هما اثنان من المتطلبات الثلاثة لتشغيل (TFT) مثل (SGT) مع (ΦB = ΦM) (− χ)، حيث أن (M) هي وظيفة عمل المعدن و هي تقارب الإلكترون في أشباه الموصلات، كما أن الشرط الثالث هو أن أشباه الموصلات يجب أن تكون قادرة على النضوب بالكامل في منطقة المصدر عندما يكون حاجز المصدر متحيزاً عكسياً بواسطة إمكانات التصريف المطبقة.

كما يُظهِر الشكل التالي (1-A) و (1-B) المقاطع العرضية لاثنين من مجموعات (SGT) مع تداخل (S) وبوابة المصدر وفصل تصريف المصدر، وعادةً لا تستخدم (SGTs) الترميز الأكثر عمومية L لفجوة استنزاف المصدر، حيث يختلف طول القناة الفعال مع التحيز المطبق بطريقة إضافية لتقصير طول القناة في (FETs)، ومن هنا المصطلحات المميزة).

تصنيع الأجهزة والدوائر الكهربائية التناظرية المدمجة لأجهزة الاستشعار

تم تصنيع (SGTs) ذات درجة الحرارة المنخفضة من البولي سيليكون في عملية محاذاة ذاتية للبوابة السفلية أعلى جهة اتصال، حيث أن بسمك الطبقة النشطة (ts = 40) نانومتر وسمك عازل البوابة (ti = 400) نانومتر (200 نانومتر SiO2) و (200 نانومتر SiNx)، كما تم تحقيق اتصال مصدر (Schottky) مع (Cr)، كما وشمل غرس تعديل ضحل (P) أو (BF2) لتعديل ارتفاع حاجز الطاقة (~ 0.4 فولت).

كذلك تم استخدام المنشطات السائبة لهندسة العتبة وإنشاء أجهزة تعمل في وضع الاستنفاد (عادةً قيد التشغيل)، كما تضمن كل من مصادر (Schottky) وملامسات استنزاف أوميك بنية لوحة مجال بامتداد مقداره (4) مايكرومتر وارتفاع (120) نانومتر في (SiO2)، وهي المصممة لتوفير الراحة من المجال الكهربائي المستحث بالتصريف، وبالتالي تثبيط التضخيم ثنائي القطب.

المضخمات ذات المصدر المشترك مع الأحمال الكهربائية النشطة

بالإضافة إلى العمليات منخفضة التكلفة وعالية الإنتاجية المذكورة أعلاه؛ فإنه يُفضل بشكل عام تصميم دوائر أحادية القطب، أي (جميع الترانزستورات التي تعمل إما كأجهزة إلكترونية أو أجهزة ثقب)، ومن أجل تصنيع مريح وسهل وتقليل التكلفة وتحسين عائد التصنيع؛ فإنه غالباً ما يتم تنفيذ دوائر العاكس (Pseudo-CMOS) كمضخمات تناظرية عالية الكسب نظراً لكسبها الكبير نسبياً، ولكن زيادة تعقيد الدائرة (4 تيرابايت لكل مرحلة) وإشارة انحياز إضافية تمثل تحديات إضافية.

أيضاً تعد مضخمات حمل النضوب (0VGS)، وهي الأكثر ضغطاً بشكل عام، ومع ذلك فإن؛ مكاسبها القابلة للتحقيق محدودة بالسلوك الجوهري للترانزستورات، ومن أجل زيادة التضخيم؛ يلجأ المصممون إما إلى مراحل الكسب المتتالية، والتي تقلل منتج عرض النطاق الترددي للكسب وتزيد من عدد الترانزستورات أو حماية جهاز الكسب بترانزستور آخر موضوع في سلسلة في تكوين الكود، والذي يتطلب جهد إمداد أعلى ودوائر تحيز إضافية محتملة.

كما يلعب كسب الترانزستور الجوهري (Av = gm / gd) دوراً حاسماً في الكسب الكلي لدائرة المضخم، في حين أن (gm) من (SGTs) أقل من (TFTs) التقليدية ذات التلامس الأومي، بحيث يمكن أن تكون موصلية الخرج (gd) أقل بكثير من حيث الحجم، وعلى هذا النحو؛ فإن (SGT) أكثر قدرة بكثير على تحقيق قيم (AV) أعلى، إضافة الى أن أجهزة البولي سيليكون ذات درجة الحرارة المنخفضة (LTPS).

وأخيراً في تقنيات الأغشية الرقيقة؛ يعد تقليل عدد المكونات أمراً مرغوباً فيه للغاية، وذلك لأنه يؤدي إلى تقليل مساحة الدائرة وتحسين العائد، لذلك لقد أظهرنا مكبرات الصوت الشائعة المصدر والمرايا الحالية بتصميمات ثنائية الترانزستور (2T) في البولي سيليكون، وهي مدعومة بمحاكاة (Silvaco Atlas)، وكذلك المرايا الحالية في (IGZO).

كذلك تستخدم هذه الدوائر الكهربائية مقاومة الخرج العالية من (SGT) لتضخيم الكسب العالي ونسخ التيار الكهربائي الدقيق بدون مكونات دارة إضافية، على سبيل المثال (الكود)، كما وتوضح خطوة رئيسية في تصميم دارة (LAE) لم يسبق رؤيتها لأكثر من نصف قرن.

أيضاً تُظهر مضخمات حمل النضوب كسباً قدره (49) ديسيبل في مرحلة واحدة، وهو أعلى معدل تم الإبلاغ عنه، كما ويتم تمكينه من خلال تأثير شبكي منخفض بشكل كبير في (SGTs) من البولي سيليكون، وذلك بشكل أساسي، بحيث تظهر مرايا (SGT) الحالية لاستغلال تداخل بوابة المصدر (S) كمعامل تصميم، مما يغير اعتماد درجة حرارة تيار التصريف.