Разработка и исследование архитектурных, схемотехнических и конструктивно-технологических решений высокотемпературных аналоговых микросхем для обработки сигналов датчиков в экстремальных условиях эксплуатации

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-10069

НазваниеРазработка и исследование архитектурных, схемотехнических и конструктивно-технологических решений высокотемпературных аналоговых микросхем для обработки сигналов датчиков в экстремальных условиях эксплуатации

Руководитель Бугакова Анна Витальевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" , Ростовская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые слова высокотемпературная электроника; высокотемпературные микросхемотехника; высокотемпературные аналоговые интерфейсы и IP-модули; высокотемпературные операционные усилители и их функциональные узлы; аналоговая электронная компонентная база для обработки сигналов датчиков физических величин; высокотемпературные аналоговые микросхемы (Si, SiGe, SOI), в том числе на широкозоных полупроводниках (GaAs, SiC, GaN), конструктивно-технологические решения высокотемпературных аналоговых микросхем.

Код ГРНТИ47.41.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность Сегодня высокотемпературные микросхемы (+150…+500°С) крайне востребованы в аэрокосмическом, военном и атомном приборостроении, автомобилестроении и бурении глубоких скважин (добыча нефти), где экстремально-высокие температуры являются основной проблемой для использования традиционных микроэлектронных устройств, обрабатывающих сигналы датчиков. Так, например, некоторые датчики, контролирующие жизненно важные компоненты двигателя, работают при температурах выше 300°C. Следует заметить, что об актуальности разработки высокотемпературных (до 450°С) аналоговых микросхем указано в «Стратегии развития электронной промышленности РФ на период до 2030 года». В соответствии с протоколом от 26.12.2022 г. НТК «Реализация комплекса научно-технических программ и проектов полного инновационного цикла как механизма развития сети научно-промышленных кластеров двойного назначения» (г. Кубинка), утвержденным РАН, НЦУО РФ, Военно-промышленной комиссией РФ, в России необходимо создание специальных научных групп с условным названием «Широкозонные высокотемпературные сложные полупроводники, приборы и системы на их основе». Создание такой лаборатории высокотемпературной электроники планируется при Донском государственном техническом университете. Научная новизна Экстремальные требования, предъявляемые в ряде случаев к высокотемпературной электронной компонентной базе (ЭКБ), требуют создания специальных схемотехнических решений ЭКБ для диапазона +150…+500°С, в том числе на широкозонных полупроводниковых материалах (GaN, SiC, алмаз и др.). Однако, высокотемпературная схемотехника (Si, SiGe, SiC, GaAs, GaN) для тяжелых условий эксплуатации, как показывает анализ лучших достижений в этой области знаний (см. раздел 4.5), сегодня находится на начальном этапе развития. Как следствие, применяемые схемотехнические решения, например ОУ, несовершенны. Требуют также развития научные основы построения SOI, SiC, GaAs, GaN слаботочной высокотемпературной аналоговой схемотехники, так как сегодня широкозонные полупроводники позицируются в основном для сильноточных применений (например, усилители мощности, источники питания и т.п.). Таким образом, научная новизна проекта состоит в разработке и теоретическом обосновании комплекса архитектурных, схемотехнических и конструктивно-технологических решений нового поколения аналоговых микросхем и интерфейсов датчиков физических величин для работы в диапазоне высоких температур (+150…+500°С), создании основ их схемотехнического проектирования, в том числе с использованием широкозонных полупроводников. Фактически проект носит междисциплинарный характер, так как оптимальная высокотемпературная схемотехника, позволяющая существенно улучшить основные параметры микросхем при повышенных температурах (по сравнению с обычными решениями), относится к интегральной науке, объединяющей лучшие достижения физики полупроводников, теории усиления и обработки сигналов датчиков, микроэлектроники, электродинамики, теории электрических цепей и САПР, конструировании РЭА, теории и экспериментальных исследований тепловых процессов в микросхемах и т.д. Комплексные исследования высокотемпературных микросхем (архитектуры, схемотехника, технологии, конструкции) позволит получить существенные теоретические и практические результаты, которые будут положены в основу прототипов микросхем, превосходящих по основным параметрам лучшие мировые достижения в данном классе слаботочного аналогового приборостроения (для SiC, GaN, GaAs и др.). Цель проекта – разработка и кластеризация архитектурных, схемотехнических и конструктивно-технологических решений, а также создание основ проектирования аналоговых интерфейсных высокотемпературных микросхем с малым статическим током потребления, превосходящих по основным параметрам зарубежные аналоги, в том числе на широкозонных полупроводниках, для следующих диапазонов температур до +150°С, до +200°С, до +300°С, до +400…+500°С.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Результаты исследований по второму этапу проекта отражены в 26 публикациях, из которых 16 статей опубликованы в изданиях Scopus, 3 статьи – в изданиях RSCI, 6 публикаций – РИНЦ, 1 препринт, индексируемый в базах данных CrossRef, Google Scholar, Portico. Подготовлены и поданы 5 заявок на патенты РФ и 3 заявки на регистрацию программы для ЭВМ. Кроме этого, одна публикация находится на рецензировании в журнале из списка ВАК (Приложения 1 доп. файла). Разработаны теоретические основы проектирования высокотемпературной аналоговой электроники по технологии silicon-on-insulator (SOI) и определены ее предельные параметры. Исследована новая схемотехника наиболее востребованных базовых функциональных узлов SOI микросхем (входные дифференциальные каскады (ДК), буферные усилители (БУ), промежуточные каскады, цепи стабилизации статического режима). Созданы высокотемпературные (до 300-350°С) шаблонные модели gallium arsenide (GaAs) транзисторов для среды MicroCap. Получены результаты исследования GaAs базовых функциональных узлов высокотемпературных аналоговых микросхем. Созданы шаблонные модели слаботочных gallium-nitride (GaN) транзисторов для среды моделирования MicroCap и инструкция по их практическому использованию при проектировании высокотемпературных GaN микросхем. Обобщены исследования в области применения GaN транзисторов в аналоговых схемах, определены их предельные параметры. Разработана схемотехника GaN базовых функциональных узлов и операционных усилителей (ОУ) для работы при повышенных температурах. Выполнены исследования конструктивно-технологических решений высокотемпературных аналоговых микросхем и проблем отвода тепла. Создана эквивалентная тепловая модель высокотемпературной микросхемы на основе принципа теплоэлектрической аналогии. Разработаны алгоритмы идентификации и определения тепловых параметров элементов конструкции высокотемпературных микросхем. Показано, что качественные показатели высокотемпературных аналоговых функциональных узлов ОУ, реализуемых по SOI, SiGe, GaAs, GaN, SiC технологиям (максимальная скорость нарастания выходного напряжения, статическое токопотребление, верхняя граничная частота, коэффициент усиления и т.п.), существенно зависят от оригинальности используемых схемотехнических решений. Разработана новая схемотехника БУ на основе биполярных транзисторов (CBJT, технологии SOI, SiGe), которая обеспечивает повышение их быстродействия за счет форсирования процессов перезаряда конденсатора нагрузки при повышенных температурах. Предлагается 24 модификации БУ, которые ориентированы на SiGe BiCMOS технологический процесс, позволяющий создавать транзисторы, работающие при повышенных температурах. Разработана компьютерная программа каталогизации и визуализации рассмотренных схем БУ. Разработано семейство новых схем GaAs выходных каскадов (БУ) для работы при температурах до +300…+350°С. Создана базовая схема GaAs БУ с применением специальных цепей смещения статического режима транзисторов. Созданы новые архитектуры ДК на СJFet (или CMOS SOI транзисторах со встроенным каналом), которые не содержат в своей структуре классических источников опорного тока, отрицательно влияющих в типовых ДК на основные характеристики. Разработаны входные каскады класса АВ (технологии SiGe, SOI), обеспечивающие, в отличие от известных ДК, в три раза большее значение максимальной скорости нарастания выходного напряжения (SR) и в два раза меньший статический ток, потребляемый ДК от источника питания при одинаковых значениях коэффициента усиления и частоты единичного усиления. Создана перспективная архитектура быстродействующего CMOS ОУ (технологии SiGe, SOI) с входным каскадом класса Dual-Input-Stage и разомкнутым коэффициентом по напряжению более 75дБ, систематической составляющей напряжения смещения нуля менее 50 мкВ, SR более 1700 В/мкс. Разработано и исследовано на основе CJFET (или CMOS SOI транзисторах со встроенным каналом), четыре модификации трехкаскадного ОУ (без токовых зеркал) c применением двухтактного «перегнутого» каскода, а также специальных схем источников опорного тока. Схемы ОУ рассматриваемого подкласса имеют малое токопотребление и рекомендуются для высокотемпературных приложений. Разработан метод автоматизированного проектирования высокотемпературных ОУ с использованием больших языковых моделей. Продемонстрирована работа созданного алгоритма на примере уменьшения температурного коэффициента напряжения смещения нуля CMOS ОУ (SOI, SiGe). Разработан метод компенсации влияния паразитных составляющих коллекторной нагрузки в SiGe и SOI транзисторных RC и RLC-усилителях на их верхнюю граничную частоту и коэффициент усиления по напряжению. Разработаны шаблонные модели (ШМ) SOI MESFET для моделирования аналоговых схем при температурах до 200°С. Для среды Micro-Cap разработана инструкция по применению ШМ, которая протестирована на SOI ОУ с тремя дифференциальными каскадами. Создана ШМ GaAs транзисторов для среды MicroCap, которая позволяет моделировать высокотемпературные ДК и ОУ на их основе в диапазоне до +300…+350°С. Разработаны и исследованы шаблонные модели SiC транзисторов для моделирования аналоговых схем в средах MicroCap и LTSpice при температурах до 452 °С. Исследованы основные характеристики SiC ДК и SiC ОУ с парафазным выходом на их основе при температурах 25 °С и 452 °С. Разработаны модели GaN JFETs для среды Micro-Cap на основе экспериментальных вольт-амперных характеристик, которые могут быть использованы для оценки характеристик статического режима аналоговых устройств в диапазоне температур до 500 °С. Исследован двухкаскадный GaN ОУ с парафазным выходом, работающий в режиме микротоков входных транзисторов с коэффициентом усиления 41.3 дБ при t=25°C и 34.1 дБ при t=500°C. Разработана тепловая модель монолитной GaAs и GaN интегральной схемы СВЧ усилителя мощности. Показано удовлетворительное соответствие (в пределах 10 %) результатов определения максимальной температуры перегрева кристалла методом компьютерного моделирования и методом моделирования на основе электротепловой аналогии. Разработанные модели могут быть использованы при проектировании высокотемпературных интегральных микросхем, в том числе, с неоднородным расположением источников тепловыделения в кристалле. Создан алгоритм оценки погрешностей идентификации параметров тепловых эквивалентных схем полупроводниковых изделий по результатам измерения переходной тепловой характеристики. Разработана программа для ЭВМ, которая реализует алгоритм оценки погрешностей идентификации параметров тепловой эквивалентной схемы, состоящей из двух последовательно соединенных RC-звеньев.

Публикации

1. Фролов И.В., Ходаков А.М., Сергеев В.А., Клейменкин Д.В. Моделирование тепловых характеристик высокотемпературных монолитных интегральных схем с неоднородным распределением источников тепловыделения в кристалле Журнал радиоэлектроники., №4, С. 1-14. (год публикации - 2025)
10.30898/1684-1719.2025.4.7

2. Фролов И.В. Алгоритм оценки погрешностей определения тепловых параметров микросхем и полупроводниковых приборов по результатам измерения переходной тепловой характеристики Научно-технический журнал «Автоматизация процессов управления / Automation of Control Processes», № 4 (78). С. 95-101. (год публикации - 2025)
10.35752/1991-2927_2024_4_78_95

3. Жук А.А., Клейменкин Д.В., Прокопенко Н.Н. SiGe BiCMOS output stages of high-temperature operational amplifiers Preprints.org, MDPI in Basel, Switzerland., pp.1-30. (год публикации - 2025)
10.20944/preprints202504.2193.v1

4. Жук А.А., Сергеенко М.А., Бугакова А.В., Прокопенко Н.Н. Gallium Arsenide Op-Amp’s Output Stage for High Temperature Operation Proceedings of the 26th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM-2025) (год публикации - 2025)

5. Жук А.А., Сергеенко М.А. Арсенид-галлиевый выходной каскад быстродействующего операционного усилителя с входным p-n-p биполярным транзистором Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» («КомТех-2024»), 5-7 июня 2024 г., Ростов-на-Дону – Таганрог, Т. 2. С. 77-85. (год публикации - 2024)

6. Чумаков В.Е., Сергеенко М.А., Фролов И.В. Research on Gallium-Arsenide Differential Stages and Operational Amplifiers for High-Temperature Applications 2024 PIERE IEEE 3rd International Conference on Problems of Informatics, Electronics and Radio Engineering (PIERE), 15-17, November, 2024, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation, pp. 450-454. (год публикации - 2024)
10.1109/PIERE62470.2024.10804926

7. Бугакова А.В., Фролов И.В., Иванов Ю.И., Дмитриенко Н.А. Compensation’s Method of Collector Load’s Parasitic Components in SiGe and SOI Cascode Amplifiers Operating at High Temperatures IEEE, 2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 17-18 October 2024, Saint Petersburg, Russian Federation, pp. 110-113. (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755707

8. Чумаков В.Е. , Сергеенко М.А., Прокопенко Н.Н. Circuitry of Operational Amplifiers with CMOS and JFET Input Differential Stages without Classical Reference Current Sources 2024 PIERE IEEE 3rd International Conference on Problems of Informatics, Electronics and Radio Engineering (PIERE), 15-17, November, 2024, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation, pp. 440-445. (год публикации - 2024)
10.1109/PIERE62470.2024.10804990

9. Сергеенко М.А., Шмыков М.А., Макаренко Е.Н., Кузнецов Д.В. CBJT-JFET операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода с модифицированной цепью отрицательной обратной связи по синфазному сигналу ХХIV Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием, посвященная 129-й годовщине Дня радио «Современные проблемы радиоэлектроники», 15–18 мая 2024 г., Красноярск: Сибирский федеральный университет , С. 144-148. (год публикации - 2024)

10. Чумаков В.Е., Фролов И.В., Клейменкин Д.В., Прокопенко Н.Н. Основы проектирования высокотемпературных карбид-кремниевых операционных усилителей в свободно распространяемых средах MicroCap И LTspice Журнал радиоэлектроники, №. 11, С. 1-20. (год публикации - 2024)
10.30898/1684-1719.2024.11.11

11. Сергеенко М.А., Чумаков В.Е., Горбина М.А. The schematic configuration improvement method of the high-speed differential operation amplifier based on complementary (Si, SiC, GaN, GaAs) bipolar transistors XV Всероссийская научно-практическая студенческая конференция «Мир в зеркале языков: комплексная парадигма» = «Тhe world through languages: complex paradigm» 22 марта 2024 г., ИСОиП (филиал) ДГТУ в г. Шахты, С. 114-121. (год публикации - 2024)

12. Чумаков В.Е., Бугакова А.В., Фролов И.В. SOI MESFET Transistor Template Models and their Applications to High-Temperature Operational Amplifiers Design Problems Proceedings of the 2025 Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2025 ElCon), January 28 - 29, 2025, St. Petersburg, Russia., pp. 90-94. (год публикации - 2025)

13. Клейменкин Д.В., Прокопенко Н.Н., Сергеенко М.А., Макаренко Е.Н. Comparative Analysis of CMOS Operational Amplifiers with two Modifications of Input Stages of the Dual-Input-Stage Proceedings of the 2025 Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2025 ElCon), January 28 - 29, 2025, St. Petersburg, Russia., pp. 117-120. (год публикации - 2025)

14. Сергеенко М.А., Кузнецов Д.В., Прокопенко Н.Н., Фролов И.В. Architectures of Operational Amplifiers with Intermediate Push-Pull “Folded” Cascode on CJFET or Depletion-Mode CMOS Proceedings of the 2025 Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2025 ElCon), January 28 - 29, 2025, St. Petersburg, Russia., pp. 169-173. (год публикации - 2025)

15. Бугакова А.В., Клейменкин Д.В., Чумаков В.Е., Жук А.А. High-Speed Low Current Consumption Dual-Input-Stage CMOS Operational Amplifier Proceedings of the 2025 Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2025 ElCon), January 28 - 29, 2025, St. Petersburg, Russia., pp. 76-80. (год публикации - 2025)