Übersicht über die letzten Forschungsprojekte der Arbeitsgruppe Halbleiterbauelemente.
- Entwurf sehr schneller (analoger
und digitaler) integrierter Bipolarschaltungen, u.a. für die
optische Übertragungstechnik.
Die Ergebnisse der meisten Arbeiten auf diesem Gebiet, bei denen Datenraten
bis 60 Gbit/s erreicht wurden, sind in der Publikationsliste
aufgeführt und in einer ausführlichen Arbeit (siehe Publikation Nr. 141) zusammengefasst (Stand 1998). In einer
letzten Arbeit wurde ein Verstärkerarray für parallele optische
Übertragungsstrecken mit 12 Kanälen von je 10 Gbit/s entwickelt und in
einer SiGe-Fertigungstechnologie von Infineon hergestellt. Die hohe
Gesamtdatenrate von 120 Gbit/s pro Chip wurde damals von keiner
anderen Stelle erreicht. Die Verstärker zeichnen sich außerdem durch
eine hohe Transimpedanz von 25 kΩ (im begrenzenden Betrieb) und
durch geringes eingangsbezogenes Rauschen aus. Eine wichtige
Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung der Schaltung war die
genaue Simulation des Nebensprechens auf dem Chip, insbesondere auch
der Substratkopplung. Siehe Publikationen Nr. 160, 161, 169, 170.
- Entwicklung eines physikalischen Modells für Silizium-Germanium Heterobipolartransistoren (SiGe HBTs)
Dieses Modell, das mit SIGEM bezeichnet wurde, ist eine Erweiterung des Transistormodells HICUM und ist, wie dieses, bis zu sehr hohen Stromdichten gültig. Es basiert auf physikalischen Beziehungen zwischen technologischen/physikalischen Größen und den Parametern des Kompaktmodelss. Zur Schaltungssimulation wurde SIGEM in den Netzwerksimulator ELDO eingebaut. Die Modellentwicklung wurde durch zahlreiche numerische "DEVICE-Simulationen" auf der Basis der Dotierugsprofile im Transistor unterstützt. Siehe Publikationen Nr. 142 und 143.
- Untersuchung und Modellierung des Durchbruchverhaltens schneller Silizium-Bipolartransistoren.
Mit zunehmender Grenzfrequenz der Transistoren muss die Dotierungskonzentration im Kollektor erhöht werden, wodurch sich die Durchbruchspannung verringert (Lawinendurchbruch). Um dennoch eine ausreichende Ausgangsleistung in Transistorschaltungen zu erzielen, ist es erforderlich, die Transistoren möglichst bis zu ihrer Grenzspannung auszusteuern. Hierzu wurden genaue physikalische Transistormodelle entwickelt, mit denen für beliebige externe Beschaltung die Spannungsgrenzen detektiert und der Einfluss des Lawinendurchbruchs bei statischem und dynamischem Betrieb durch Schaltungssimulation ermittelt werden kann. Siehe Publikationen Nr. 149, 155, 156, 159.
- Modellierung des
Substrateinflusses in schnellen integrierten Schaltungen.
Es wurden nicht nur die Verkopplungen auf dem Chip untersucht,
sondern auch Maßnahmen zu deren Vermeidung. Für die erforderlichen
Simulationen wurde der numerische Substratsimulator SUSI verwendet,
der in der Arbeitsgruppe entwickelt wurde. Er berücksichtigt nicht
nur das Halbleitersubstrat selbst, sondern auch die Strukturen und
Schichten in und auf dem Chip. Als Demonstrator für die
Substratkopplung wurde ein begrenzender 30 Gbit/s
Transimpedanz-Verstärker mit einer hohen Transimpedanz von 25
kΩ entwickelt. Mit ihm wurde gezeigt, dass breitbandige
Schaltungen auch bei hoher Verstärkung auf einem(!)Chip untergebracht werden
können, wenn geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Das hohe Produkt
aus Transimpedanz und Datenrate
(750 kΩ x Gbit/s) wurde damals von keiner
anderen Stelle erreicht. Siehe Publikationen Nr. 119, 126, 127, 132,
139, 146, 153, 156, 160, 161, 163, 168, 171.
- Entwurf
spannungsgesteuerter Oszillatoren (VCO) für den
Millimeterwellenbereich.
Diese Arbeiten zielten vor allem auf Anwendungen in
Abstandsradar-Systemen für Kraftfahrzeuge (77/79 GHz). Für diese
Anwendung wurde erstmals gezeigt, dass der komplette VCO
(einschließlich Resonator und Ausgangsbuffer) auf einem Chip in
verfügbaren SiGe-Technologien (hier: Infineon) integriert werden
kann, und dass dabei die geforderten Spezifikationen voll erreicht
werden. Insbesondere die hohe Ausgangsleistung von insgesamt 18 dBm,
die zur direkten Ansteuerung der Antennen voll ausreicht, war von
der Fachwelt in Silizium nicht für möglich gehalten worden. Eine
wichtige Voraussetzung hierfür war ein in der Arbeitsgruppe
entwickeltes neues Transistormodell zur Beschreibung des
Lawinendurchbruchs, der die Ausgangsleistung begrenzt. (Publikationen Nr. 149, 155, 156, 159). Damit steht eine preiswerte Lösung zur
Verfügung, die den Einsatz der kostspieligeren Verbindungshalbleiter
(GaAs und z.B. auf Basis von InP) in Zukunft überflüssig machen
wird. Inzwischen werden solche SiGe-ICs erfolgreich in Radarsystemen
eingesetzt. Siehe Publikationen
Nr. 157, 158, 162, 164-167.
Ferner wurde gezeigt, dass man mit der verwendeten SiGe-Technologie
VCOs bis etwa 100 GHz realisieren kann, bei einer noch beachtlichen
Ausgangsleistung von 14 dBm. Siehe Publikation Nr. 167.
Letzte Arbeiten
befassten sich mit Millimeterwellen-VCOs mit sehr großem
Abstimmbereich von bis zu 30% der Mittenfrequenz von etwa 80 GHz (siehe Publikationen Nr. 173 und 174) und mit der Reduktion des Lasteinflusses auf die Schwingfrequenz ("frequency pulling", siehe Publikation Nr. 175).
Die
Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe wurden vorwiegend durch nationale
und internationale Förderprogramme (BMBF, EU) sowie von der
Industrie finanziert.
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