來(lái)源：電源網(wǎng)編譯

總部位于諾丁漢的無(wú)晶圓廠芯片初創(chuàng)企業(yè)“Search For The Next”(SFN)聲稱，只有8個(gè)光刻掩模可以制造出低功耗的自定義邏輯芯片，而CMOS需要20多個(gè)掩模。

公司首席執(zhí)行官David Summerland表示，這樣就減少了生產(chǎn)前置時(shí)間——到2020年12月的目標(biāo)是兩周。

他還表示，僅使用這八層，就可以包括電源和模擬元件。

整個(gè)方案的關(guān)鍵是Bizen，它是一種新穎的晶體管-本質(zhì)上是一種pnp器件，其基極通過(guò)量子隧道結(jié)驅(qū)動(dòng)，并且包括第二個(gè)隧道結(jié)以內(nèi)部自偏置晶體管-稍后將進(jìn)一步介紹該技術(shù)。 Summerland說(shuō)，這是從硅開(kāi)始的，但是能夠遷移到氮化鎵和其他化合物半導(dǎo)體。

Silicon Bizen不僅是一項(xiàng)理論研究：Search For The Next與已建立的基于Glenrothes的芯片制造商Semefab合作，該公司已經(jīng)在運(yùn)行Bitzen晶片。

兩家公司共同致力于在明年第二季度向潛在客戶提供技術(shù)演示器樣品芯片。

根據(jù)Summerland的說(shuō)法，要?jiǎng)?chuàng)建VHDL，將有一個(gè)免費(fèi)的Cadence流程設(shè)計(jì)套件（PDK）和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，使Bizen“比CMOS的生產(chǎn)速度快80-90％”。

Bizen晶體管

SFN的晶體管具有類似pnp的結(jié)構(gòu)，但基極有所不同。

Summerland說(shuō)：“這是一種雙極機(jī)制，而不是像MOSFET那樣的單極機(jī)制。”“您不會(huì)像BJT那樣直接與基座接觸，它也不會(huì)像MOSFET那樣被氧化物隔離。取而代之的是到基阱的隧道結(jié)，其中摻雜很重且交界突然。結(jié)果就是Bizen-雙極穩(wěn)壓管-保留了傳統(tǒng)雙極處理的優(yōu)點(diǎn)，但通過(guò)使用齊納量子隧道力學(xué)消除了缺點(diǎn)。

根據(jù)SNF的說(shuō)法，雖然可以將名稱“收集器”和“發(fā)射極”用于兩個(gè)非隧道（“基極”）電極，但該設(shè)備是對(duì)稱的-可以在不更改功能的情況下交換這兩個(gè)端子，因此它具有選擇將它們命名為“陽(yáng)極1”和“陽(yáng)極2”。

第二個(gè)隧道結(jié)使設(shè)備偏置，以便在隧道端子開(kāi)路時(shí)“接通”（但不飽和）。 根據(jù)Summerland的說(shuō)法，雖然這表示在操作過(guò)程中有連續(xù)的電流流到地面，但隧道電流通常僅為2-5nA，他補(bǔ)充說(shuō)，可以通過(guò)包括一個(gè)可以斷開(kāi)偏置隧道連接的單一結(jié)構(gòu)來(lái)引入低功耗“睡眠”模式。負(fù)軌上有許多（也許是一千個(gè)）雙結(jié)晶體管的結(jié)。”

Bizen三項(xiàng)輸入NOR門(mén)-這是電流而非電壓邏輯。將任何輸入連接到正軌以停止陽(yáng)極之間的導(dǎo)通。

在這種開(kāi)路條件下，隧道電極將以200-300mV的電壓浮在最正的陽(yáng)極下方，并且該器件可以在其陽(yáng)極之間通過(guò)20-30nA的電流，在這些陽(yáng)極之間的壓降可低至幾毫伏。

這使一個(gè)Bizen晶體管能夠?qū)㈦S后的Bizen晶體管的大致10個(gè)隧道結(jié)上拉至正軌的毫伏以內(nèi)-要使用TTL說(shuō)法，它的扇出度約為0。

當(dāng)設(shè)備的隧道連接被拉到正極時(shí)，其兩個(gè)陽(yáng)極之間的電流路徑將關(guān)閉，隨后設(shè)備的隧道端子不會(huì)被驅(qū)動(dòng)-它們會(huì)懸空。

因此，使用Bizen晶體管構(gòu)建的任何邏輯都是基于電流的邏輯，而不是基于電壓的邏輯，并且不需要占用空間的電阻器或偏置隧道結(jié)以外的額外電流吸收器。

根據(jù)Summerland的說(shuō)法，可以使用Bizen晶體管實(shí)現(xiàn)任何任意邏輯功能，并且只需要四個(gè)工藝光刻掩模（而不是整個(gè)工藝的八個(gè)掩模）即可實(shí)現(xiàn)僅邏輯芯片，因?yàn)榭梢栽诰w管內(nèi)部建立晶體管到晶體管的連接。四層–無(wú)需金屬層。如上所述，正在準(zhǔn)備設(shè)計(jì)工具。“如果我們使用ARM或x86 [處理器]，我們將使用幾個(gè)金屬層進(jìn)行路由，”Summerland說(shuō)。

上邊（黃色）是Bizen D型主從觸發(fā)器，在該1μm工藝示例中，僅需八個(gè)晶體管，并占45 x37μm。不需要金屬層。在相同尺寸的工藝上，根據(jù)Summerland的CMOS版本（左，綠色），將需要28-35個(gè)晶體管，并占用112 x37μm（金屬觸點(diǎn)為2.5μm，89 x30μm金屬觸點(diǎn)窗口為縮小（1.3μm）為1μm。 這是一個(gè)相對(duì)粗糙的過(guò)程：“從理論上講，我們可以擴(kuò)展Bizen過(guò)程，目前正在研究證明這一點(diǎn)，”他補(bǔ)充說(shuō)。

那耗電量呢?那些靜止的鈉會(huì)增加。

是的，同意Summerland，但是Bizen的動(dòng)態(tài)功率要小得多，因?yàn)樗鼪](méi)有與cmos相關(guān)的所有浪費(fèi)功率的MOSFET柵電容。

功率晶體管

據(jù)SFN稱，八層工藝還可以容納高達(dá)650V的NPN功率晶體管和這些晶體管的基極驅(qū)動(dòng)器。

根據(jù)Semefab首席執(zhí)行官艾倫·詹姆斯（Allen James）的說(shuō)法，Bizen實(shí)際上是出于為雙極芯片加香料的需要而發(fā)展的：

Semefab與SFN合作，探索在降低智能電源IC工藝復(fù)雜性的同時(shí)保持對(duì)芯片進(jìn)行編程的能力的方法。早期建議被拒絕，因?yàn)樗鼈儾荒軡M足所需的低口罩?jǐn)?shù)量目標(biāo)。最終，SFN提出了使用微型反向偏置的齊納二極管結(jié)構(gòu)的量子隧道效應(yīng)的想法。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)仔細(xì)建模，可以將常規(guī)橫向和縱向雙極結(jié)構(gòu)的集成設(shè)計(jì)為結(jié)合Bizen，而不會(huì)造成額外的過(guò)程復(fù)雜性。最初我很懷疑，但是我接受了這個(gè)概念并看到了早期的結(jié)果，它的確打動(dòng)了許多顛覆行業(yè)的盒子。盡管CMOS容易發(fā)生閂鎖和ESD，但這并不是一個(gè)問(wèn)題，而是CMOS有缺陷。CMOS低功耗，已經(jīng)通過(guò)了時(shí)間的考驗(yàn)并且通常可靠。但是，它很復(fù)雜，并且與電源集成時(shí)更是如此。復(fù)雜性意味著更長(zhǎng)的交貨時(shí)間和更高的成本。

但是雙極功率晶體管不是有損耗的嗎？

不，Summerland認(rèn)為，功率MOSFET只不過(guò)是它們，而且它們也不必變慢。MOSFET跨導(dǎo)基于漏極電流的平方根。他說(shuō)，BJT跨導(dǎo)與集電極電流成正比，而跨導(dǎo)與速度有關(guān)，除非MOSFET的寬度比長(zhǎng)度長(zhǎng)得多。我們相信，Bizen電源IC的開(kāi)關(guān)速度將與IGBT的MOSFET一樣快。”

工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）包括1A和10A功率晶體管。

模擬計(jì)算

SFN的最后一招是Bizen模擬模塊–運(yùn)算放大器和比較器（在PDK中），甚至是模擬計(jì)算模塊，例如分頻器-模擬計(jì)算模塊在某些情況下避免使用邏輯-從而避免使用相關(guān)的ADC和DAC應(yīng)用程序。如果采用邏輯，Summerland采用粗細(xì)結(jié)構(gòu)，可以預(yù)測(cè)1μW1μs的模擬除法，而不是大約20條指令和大約100條指令周期。這種模擬處理功能被稱為“即時(shí)處理單元” IPU。

溫度范圍

SFN預(yù)測(cè)使用Bizen晶體管的芯片以及與Semefab合作開(kāi)發(fā)的相關(guān)工藝將在-40至+ 85°C的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，盡管詳細(xì)數(shù)據(jù)需要運(yùn)行更多的晶圓。Summerland說(shuō)：“我們處于'技術(shù)準(zhǔn)備水平'5級(jí)”。

隧穿電流受溫度影響，但該公司將平衡工藝參數(shù)和預(yù)期的工作電壓（范圍為5V至3V，并且在不同的摻雜下可能更低），以達(dá)到雪崩和齊納特性交叉以最小化溫度的目的系數(shù)。

Semefab的James告訴《電子周刊》：“溫度系數(shù)將與二極管的暗電流泄漏相距100萬(wàn)英里，二極管每7°C就會(huì)增加一倍。”這促使Summerland補(bǔ)充說(shuō)：“這要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這就是為什么 我們選擇隧道電流而不是漏電流。”

關(guān)于準(zhǔn)備情況，詹姆斯說(shuō)，他的公司現(xiàn)在正在驗(yàn)證PDK，并預(yù)測(cè)明年第二季度的Bizen邏輯，“運(yùn)放和比較器的集成可能會(huì)收斂到相同的時(shí)間范圍。我們已經(jīng)完成了垂直功率晶體管，盡管我們還沒(méi)有達(dá)到650V。”

他強(qiáng)調(diào)說(shuō)，他的公司能夠?qū)izen芯片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣璧乃俣扔卸嗫臁！霸撨^(guò)程不是火箭科學(xué)：它使用標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)散和標(biāo)準(zhǔn)晶圓廠模塊。沒(méi)有什么深?yuàn)W的。在特征尺寸為1μm的情況下，我們甚至不必考慮晶圓平面化-該技術(shù)對(duì)輪廓感到滿意。我們可以在兩到三個(gè)星期內(nèi)完成運(yùn)行。”

詹姆斯補(bǔ)充說(shuō)：“在Bizen成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)之前，還有一段路要走，我們?nèi)栽趯W(xué)習(xí)，但是Semefab和SFN一直在努力工作。”

技術(shù)示范

明年第二季度，將向潛在采用該工藝的技術(shù)人員提供技術(shù)演示。

SFN對(duì)此沒(méi)有多說(shuō)，只是說(shuō)它將結(jié)合Bizen邏輯，模擬IPU和電源。

Summerland告訴《電子周刊》，它可能有一個(gè)800 x800μm的管芯，中間有一個(gè)300 x300μmIPU，被包括垂直電源npn在內(nèi)的功能所包圍。

他說(shuō)，它可能采用類似于TO-92塑料外殼的材料，甚至可能只有三個(gè)連接，堅(jiān)決拒絕透露其預(yù)期功能。

本文來(lái)源electronicsweekly，電源網(wǎng)編譯。

審核編輯 黃昊宇