第2篇 半导体概述(2)

工程师专栏

电路设计和EMC设计的关键

第2篇 半导体概述(2) 半导体集成电路(LSI和IC)

半导体发展的关键“微细化”与EMC的关系

大家好! 我是ROHM的稻垣。
在第2篇中,我们来谈一谈半导体集成电路。通常,大规模集成电路和集成电路也被称为“LSI(Large Scale Integrated Circuits)”和“IC(Integrated Circuits)”。根据电路规模,在名称上会有这样的不同,但并没有严格的区分。很早以前大多称为“IC”。正如您所知道的,一个晶体管只能执行简单的工作,但是通过将多个晶体管制作在同一个硅衬底上,则可以实现复杂的功能和高精度的电路工作。半导体集成电路(LSI、IC)的电路设计者的主要工作是通过晶体管的组合来打造出色的电路。
ROHM量产中的主要产品群包括3,480种电源管理和电源IC、652种存储器、396种线性放大器、259种电机驱动器和执行器驱动器、133种音频IC和视频IC等共5115种产品。其中也包括很多种晶体管和二极管。随着从传统的定制产品向通用产品的转变,半导体集成电路(LSI、IC)的产品体系也越来越丰富。
大约在30年前,也就是我刚加入ROHM公司的年代,双极器件和CMOS器件的最小布线宽度或栅极长度是10µm(10×10-6m),而如今,最近有新闻称国外已经开始着手开发2nm(2×10-9m)的CMOS器件了(预计2022年完成)。与30多年前相比,如今的最小加工尺寸已经发展到1/5,000,可见微细化发展程度之大。这是一个令人惊叹的数字,这意味着最小栅极长度仅为几个原子大小的CMOS器件的制造与量产将成为可能。真的很棒!其实,对于这种微细化的发展趋势,是有一个著名的定律的,即美国英特尔公司提出的“摩尔定律”。其核心内容为:集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过1.5年~2年便会增加一倍。英特尔的中央处理器(CPU)也是基于该定律制造的。
另外,在IEEE国际器件与系统路线图IRDS(IEEE International Roadmap for Devices and Systems)中,也详细预测了未来的制造工艺发展趋势。感兴趣的可以上网搜索一下,很有意思(https://irds.ieee.org/)!如果半导体集成电路(LSI、IC)的元器件尺寸越来越小,那么在同一尺寸的芯片上将可以集成更多的晶体管,从而可以实现更高的性能。另外,虽然半导体元器件的耐压将会变低,但工作电压也会随之变低,从而可以延长电池的驱动时间。此外,由于半导体元器件的寄生电容减小,因此工作速度会更高,性能也会更高。
现在让我们来看看“电磁兼容性(EMC)”和微细化之间的关系吧!对于自身发出电磁噪声的“电磁干扰(EMI)”来说,随着微细化的发展,工作电压会越来越低,低频电磁噪声随之减少,工作频率由于寄生电容的减小而提高,从而呈现高频噪声增加的趋势。而对于由外部电磁噪声导致误动作的情况——“电磁敏感性(EMS)”来说,同样,随着微细化的发展,工作电压也会越来越低,导致噪声容限(noise margin)变小,因此反应更灵敏,更容易发生误动作(这点很重要!)。也就是说,并不是最新的制造工艺都是好的,从电磁兼容性(EMC)角度讲,在很多情况下,用稍旧的制造工艺量产的半导体集成电路(LSI、IC)反而更好。
例如,对于差分运算放大器(运放)来说,最好选择至少能够确保所需工作带宽的产品。如果是带宽扩展到超过必要的更高频率的产品(更加微细化的制造工艺),就需要增加对高频条件下电磁兼容性(EMC)的验证(需要额外关注)。此外,对于通用逻辑等产品,则希望避免选择工作电压低于所需电压的产品。此外,对于实现了复杂功能的产品,有各种措施(技术)和设计方法来改善电磁兼容性(EMC)。这些在每种产品的应用手册中也会有提供,我也想在本专栏中逐一进行详细介绍。敬请期待!
感谢您阅读本文。

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