автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование топологических переключателей на основе объемных интегральных схем СВЧ

Назаров Игорь Васильевич

V.

УДК 621.396.6'

Исследование топологических переключателей на основа объемных интегральных схем СВЧ

Специашюсть: 05.12.07 - Антенны н СВЧ устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

Работа выполнена на кафедре "Лазерные я нккронолнояые информационные системы" Московского государственного института «лектровккя в ыатсиатакн.

Научный руководитель: дохтор технических наук, профессор Гвозде» В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старшие научный со трудна* Аристархов Г.М.

кандидат технических наук, догцгнт Смирнов СД.

Ведущая организация:

Науокьлротводствспное д1гидашвш ншерателшой пшп

Зашита состоится У "ii.ii.1995 г. »{/часов на заседание диссертационного Совета K04J.68.04 Московского государствеаяого института электроники а математики по адресу. 109023, Москва, Б. Вузовский пер., д. 1/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ.

Автореферат разослав tO, I О, 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, к.т.н., доцент Н.Н. Грачев

v ,o f i" >

ЯШ кг) л -m п

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

а

Актуальность работы. В последние годы в России и за рубежом особенно интенсивно ведутся работы по созданию надежных, высокоэффективных, малогабаритных и устойчивых в работе систем сверхбыстрой обработки информации на сверхвысоких частотах (СВЧ). Особая потребность в таких системах возникает в связи с решением глобальных задач аэрокосмической техники, радиоуправления, навигации, связи и многих других. проблем обеспечения современного состояния технического уровня (1|.

Усложнение информационных потоков определяет необходимость постоянного совершенствования и поиск новых схемных решений устройств логической обработки сигналов СВЧ диапазона. Последние достижения в цифровой обработке электромагнитных сигналов СВЧ обусловлены использованием новых физических эффектов и усложнением программного обеспечения этого процесса. Наряду с ростом плотности упаковки интегральных схем (ИС), увеличением скорости срабатывания электронных вентилей имеется тенденция к использованию разнообразных форм сигналов и методов их обработки.

При выполнении теоретических исследований полей в элементах объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ методами топологической электродинамики появилась и была всесторонне обоснована теория топологической импульсной модуляции (ТИМ), основная идея которой заключается в записи дискретной информации в особую пространственную структуру электромагнитного поля импульса - топологическую схему. Под нею понимается схема фазового пространства системы дифференциальных уравнений • силовых линий, состоящая из положений равновесия поля, сепаратрис, поверхностей разрыва полей. Для обработки таких сигналов достаточным оказалось использование пассивных структур, позволяющих осуществить пространственное разделение импульаш с различной топологией поля. В последнее время на основе этой теории предложен ряд подобных устройств на ОИС СВЧ, которые получили название "топологические переключатели (ключи)" [2, 3].

В настоящее время постоянное повышение быстродействия полупроводниковых приборов практически прекратилось. Это связано, в основном, с достижением таких его значений (около десяти пикосекунд для вентиля), когда уже сказывается инерционность движения носителей заряда в полупроводниках. Развитие полупроводниковой технологии и устройств на ее основе подошло к своим теоретическим пределам.

Оценивая по общепринятому энергетическому фактору - произведению рассеиваемой мощности на время задержки сигнала - современные ИС, можно сделать вывод о близкой подходе к теоретическому пределу, которым является значение порядка 1 фДж. На рис. 1 представлены абсолютные физические ограничения и значения энергетического фактора для полупроводниковых приборов современных технологий (ЭСЛ, К МОП, МеП и ИУ1).

Р, Вт

10

10" 10'

10* Т.

пс

Рис. 1. Временные и энергетические характеристики полупроводниковых и топологических ключей (ТК); штриховая линия - физический предел полупроводниковых ключей, сплошные линии • фундаментальные ограничения.

Поэтому для современной радиоэлекгроннкностро необходима разработка сверхбыстродействующих устройств обработки цифровой информации в СВЧ диапазоне. С помощью топологических ключей имеется возможность преодоления некоторых ограничений, накладываемых свойствами полупроводников. Это связано с тем, что топологические ключи потенциально имеют лучшие характеристики по быстродействию из-за отсутствия полупроводниковых материалов. Благодаря этому удается достичь пнкосекундных и субпикосекундных

скоростей срабатывания .в некоторых конструкциях топологических « '

переключателей, что на один-два порядка лучше существующих аналогичных полупроводниковых устройств (рис, I).

Теория ТИМ впервые была разработана в нашей стране, устройства, реализующие принцип пространственного разделения сигналов, не имеют аналогов в мире. В связи с этим, очень актуальны задачи, решаемые в диссертационной работе: разработка подобных устройств и их физический анализ, исследование частотных и временных характеристик, а также оценка технологических и энергетических характеристик топологических ключей на ОИС СВЧ.

Целью работы является разработка топологического переключателя с пикосекундным быстродействием на основе объемных интегральных ' схем СВЧ. Для этого последовательно решались следующие основные задачи:

• разработка (¡гаико-матеиатнческой модели топологического ключа;

• разработка пакета программ для исследования . временных характеристик топологических переключателей;

• разработка макета топологического ключа по гибридной технологии, и получение экспериментальных подтверждений пространственного разделения топологически модулированных сигналов;

• разработка конструкции топологического перехлючатеяя, учитывающая требования к быстродействию устройств обработки информации.

Научная новизна диссертационной работы заключается в - -следующем:

1) разработана фнэихо-иатематическая модель топологического ключа для случая плоской волны в иеодиородностях лолосковых линиях передачи;

2) предложена конструкция топологического ключа резистивного типа, реализующего пикосекуцдные времена переключения сигналов;

3) проведены теоретические исследования временных характеристик топологических переключателей с резистивными элементами согласования;

4) экспериментально подтвержден эффект пространственного разделения топологически модулированных сигналов на макете, выполненном по гибридной технологии;

5) разработаны устройства логики гибридного типа И/ИЛИ, предоставляющие возможность перестройки логической функции без изменения схемы.

Практическая ценность. Разработанные топологические ключи являются основой принципиально новой конструктивной элементной базы для сверхбыстродействующих систем обработки СВЧ информации, •устройст» квазинейронной логики и датчиков измерения параметров окружающей среды. Полученные результаты могут быть использованы при создании специализированной цифровой аппаратуры, отвечающей современным требованиям к быстродействию.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе конструкция, модель, алгоритмы и программные средства использовались при выполнении научно-нсследовательских работ на кафедре "Лазерные и микроволновые информационные системы" Московского государственного института электроники и математики, в научно-исследовательской лаборатории НИИ МЭИИТ.

Основные результаты работы внедрены на предприятии АО "ЭРТ", а также в учебный процесс Московского государственного инсти.ута электроники и математики.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на конференции-выставке "СВЧ-техннка и спутниковый прием", Севастополь, 1993 г.; на научно-техническом конференции-конкурсе студентов, аспирантов и молодых специалистов, Москва, МГИЭМ, 1994 г. (II место); на научных семинарах МГИЭМ. На Всероссийском открытом конкурсе работ молодых ученых присуждена медаль Государственного Комитета Российской Федерации по высшему образованию, 1994 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7.научных статьях, имеется положительное решение по заявке на патент Российской Федерации (заявка 93-010082/09-009663). Материалы вошли в 6 отчетов по НИР, в том числе по гранту Российского Фонда Фундаментальных Исследований 94-0204979-А (1994 г.).

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Физико-математическая модель топологического ключа, использующая приближение квази-Т-волны.

2. Конструкция топологического переключателя резистивного типа с непосредственным гальваническим включением сосредоточенных активных сопротивлений, основанного на Т-соедннении входных

связанных ПОЛОСКОВЫХ И выходных двухпроводной II полосковой ЛИ1ШЙ передачи. •

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований временных и частотных характеристик топологических ключей.

Структура диссертации. Диссертация с»стоит из введения, трех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, включающих в себя акты внедрения. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, .содержит 25 рисунков. Список литературы включает в себя 81 наименований.

Консультации по работе осуществлялись к.ф.-м.и. Кузяевым Г.А.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, поставлена цель диссертационной работы и определены основные задачи, последовательное решение которых позволит достичь поставленную цель. Сформулирована научная новизна полученных в работе результатов, их практическая ценность и выделены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проведен анализ современного состояния по разработкам сверхбыстродействующих элементов систем обработки цифровой информации на основе российских и зарубежных печатных материалов. Показано, что основным ограничением развития современной микроэлектроники остается проблема повышения быстродействия.

Рассмотрены различные пути повышения быстродействия за счет использования таких мер, как распараллеливание процессов обработки информации, применение новых материалов и технологий. Приведены достигнутые в настоящее время характеристики полупроводниковых приборов ч сделан вывод об их приближении к фундаментальным огрЕличениям, что принципиально ие позволит более увеличить быстродействие систем на их базе.

Реальной перспективой обладают работы по передаче информации в микроволновом диапазоне длин волн, однако многочисленные проблемы,

возникающие на пути развития интегральной оптики, затрудняют пока ее широкое применение.

По результатам анализа сделан вывод, что одни« из подходов к решению проблемы повышения быстродействия является использование устройств, базирующихся на принципах топологической импульсной модуляции. Теория ТИМ показывает возможность реализации подобных устройств с характеристиками, близкими к фундаментальным пределам, путем использования новых типов сигналов и физических принципов. Запись информации в топологию или геометрию поля позволяет создавать логические схемы, состоящие из пассивных элементов и обладающие на порядок большим быстродействием, чем у полупроводниковых приборов. Высокая помехоустойчивость устройств, основанных на принципах ТИМ, обсловлена возможностью использования пространственно-ортогональных сигналов и структурной устойчивостью топологии поля, в отличие от обычных способов пространственной модуляции.

Схемотехнический анализ указывает на комплексный подход к применению "топологических" устройств и традиционных полупроводниковых. Полупроводниковые структуры необходимы при выполнении нелинейных операций малой энергоемкости, например, укорочение длительности ни пульсов, их усилениие. Разработанные топологические переключатели позволяют с высокой скоростью осуществлять изиенение направления распространения сигнала. Данный подход предоставляет возможность построения активных трехмерных схем обработки информации, записанной в амплитуды, фазы и топологии полевых сигналов.

Вторая глава диссертации посвящена вопросам моделирования разрабатываемых топологических ключей.

Рассмотрены проблемы, возникающие при распространении коротких импульсов по линиям передачи и в устройствах. Сделан вывод о применении в устройствах сверхбыстрой обработки СВЧ сигналов копланарных и связанных линий передачи, как наиболее перспективных в настоящее время. Именно эти линии, являясь двухмодовыми, позволяют естественным образом реализовать принципы топологической импульсной модуляции и обладают наилучшими скоростными и дисперсионными характеристиками.

Физика переключателя и нелинейные эффекты тхшологическогс ключа рассмотрены на основе Ы-входового волнового трансформатора представленного на рис. 2. в

_ 5. _

..НПГ.

Рис. 2. Обобщенный волновой трансформатор.

Он представляет собой область V, имеющую границы и входы п=1...К Можно записать. нелинейные дифференциальные уравнения для силовых линий электрического и магнитного полей внутри объема V и в п-ых входах. Упорядоченное множество сепаратрис, сингулярных точек этих уравнений есть топологическая схема картин силовых линий поля.

На ¡5,, границах волнового трансформатора У и п-ых его входах справедлив эахон сохранения энергии. Пусть поля ё(п' и Ь*7', Ь(п) на границах Бп удовлетворяют уравнениям Максвелла всюду и граничным условиям везде, за исключением общих границ В к-ых входах зададим возбуждающие поля и запишем закон сохранения энергии в интегральной форме. В результате, получим новую топологическую формулировку задачи дифракции, связывающей геометрию возбужденных полей с распределенными на ¡>п возбуждающими полями с^' и Е?';

N

(I)

' К •

где Удп, и - нормальные векторы к границам & и Б*; соответственно, к - номер входного волновода. Данная новая форма записи 'задачи дифракции позволяет применить к ней методы качественной теории обыкновенных дифференциальных уравнений, с учетом теории волновых

трансформаторов и аппарата топологического исследования полей.

* »

N .

- 2 /

п=1я.

ф «Ц<п>

Ь .

„<Е =

Физический анализ полученных уравнений дифракции указывает на следующие эффекты. Топологии возбужденных полей нелинейно зависят от линейных изменений распределения возбуждающих полей и перестроек .их топологий. Аналогичный характер имеет зависимость топологий полей от геометрии и изменения отверстий связи Все изменения топологии поля или топологической схемы происходят дискретно при выходе параметров, например , 11в}, из области структурной устойчивости составной, автономной, динамической системы (1). В области структурной неустойчивости (1) возможно реализовать переключения СВЧ сигнала с одного плеча волнового трансформатора на другое. Сам волновой трансформатор в этом случае работает в режиме вентиля -пространственного переключателя сигнала. Другими параметрами бифуркации (I) являются амплитуды н фазы возбуждающих полей и Ь^'. При непрерывном изменении этих величии также возможна нелинейная перестройка топологической схемы и работа волнового трансфокатора как "топологического переключателя".

Разработанные топологические ключи можно представить в виде Т-соединения. Показано, что нанлучшнмн характеристиками в смысле быстродействия обладают топологические переключатели на линиях передачи с Т-волнами. Рассмотрены различные конструкции топологических переключателей и предложена их классификация по обеспечиваемой полосе рабочих частот.

На основании конструктивных особенностей сделан вывод о предпочтительном использовании резистнвных топологических ключей. Подобные устройства, конструкция которых представлена на рнс. 3, выполненные по технологии СБИС с микронными размерами обеспечивают субпикосекундные времена переключения информационных сигналов.

Принцип работы данного топологического ключа заключается в следующем. Входным плечом I устройства является двухмодовая линия передачи (например, связанная полосковая), а выходными 2 и 3 -одномодовые (полосковая и двухпроводная). В качестве носителей информации используются импульсы собственных волн входных линий передач I, что соответствует частному случаю топологической мидуляции. Например, четой и нечетной модам можно поставить в соответствие логические переменные "Iй и "О", соответственно. Разделение сигналов в пространстве осуществляется за счет того, что в выходных плечах ? и 3 возбуждаются сигналы только по приходу импульсов строго определенной топологии поля. 10 •

. •. 1

Рис. 3. Конструкция резистивйото топологического ключа.

Предложена методика проектирования топологических ключей, в частности резистивных, с использованием электрохимической алюмо-охсидной , технологии изготовления. Для расчета переходных характеристик применяется метод обратного преобразования Лапласа с последующим объединением, характеристик отдельных подсхем в результирующую.

В третьей главе диссертации теоретически и экспериментально исследована модель топологического ключа резисгивного типа. Его эквивалентная схема представлена на рис, 4.

" л

НЬп

с2

ННп

а

--Щ]--. И-г-ва--С

,ЛР1 ЛГхПгЯн ПЯн _]_:Рх

—--1 р—I 11111—-

а) 0)

Рис. 4. Эквивалентные схемы топологического ключа с реэистизными элементами: на четной (а) и нечетной (Ц) модах.

В данной случае, для исследований выбран наиболее ^ распространенный метод расчета устройств на полосковых линиях - метод эквивалентных цепей. Здесь используется тот факт, что длины воли, составляющих спектр распространяющихся в ключе сигналов, по крайней нере, на порядок больше геометрических размеров самого устройства. Распределенный характер резистора учтен в модели отрезками длинных линий, соответствующим размерам резисторов. Параметры Я.н С модели определялись из решения квазнсгатической задачи.

Проведен расчет временных характеристик переключателя, выполненного по гибридной технологии. Результаты исследований подтверждают потенциальную возможность пнкосекундного переключения сигналов.

Показано, что уменьшение относительной диэлектрической проницаемости подложки линий передачи не приводит к существенному улучшению параметров топологического ключа. Радикальным способом уменьшения времени переключения в устройстве является уменьшение его размеров. При габаритах ключа, характерных для микронной технологии, возможно достижение субпикосекундных времен задержек (рис. 5).

ил

0,6

0.4

0.2

О,«

0.4

К

0,4 О.« 1,2 «, ПС

0,4 О,«. 1.2 I. ПС

а) 6)

Рис. 5. Временные характеристики топологического ключа микронных размеров: а) четная мода; б) нечетная меда.

Для топологических переключателей микронных размеров рассчитаны потери. Показано, что на коэффициент затухания основное влияние оказывают потери в металле линий передачи, которые на 3...4 12

порядка больше потерь в диэлектрике. На рис. 6 представлена зависи^Ь'йь потерь в линиях передачи топологических переключателей от часпЫ4>1 и соотношения ширины линии к ее высоте. Учитывая, что нсслеД^ёмыс топологические ключи имеют размеры порядка единиц микроШтров, общие потери в устройстве не превысят I дБ.

Рис. в. Потери в пиниях передачи топологического ключа.

Приведен сравнительный энергетический анализ топологических переключателей ТИМ-сигналов и существующих полупроводниковых устройств. Показано, что по энергетическому фактору топологические ключи превосходят полупроводниковые приборы на один-два порядка. Для транзисторных вентилей, выполненных по современным технологиям, ои составляет единицы фДж (см. рис. I), тогда как для резистивных топологических ключей микронных размеров - 0,02 фДж.

Проведенные экспериментальные исследования частотных характеристик топологического ключа, выполненного по гибридной технологии, подтверждают эффект пространственного разделения топологически модулированных сигналов. Максимальная развязка между выходными плечами логических сигналов "0" и "Г составила 35 дБ.

На основе топологических ключей предложены устройства квазинейронной логики, которые наряду с булевыми операциями могут осуществлять непрерывные операции квазинейронной логики: сложение и вычитание сигналов. Важным является возможность реализации характерной для нейрона операции "торможения", когля изменяя уровень

одного из сигналов, можно достичь эффекта перестройки логической функции (например, И/ИЛИ) без изменения схемы.

На принципах работы топологических переключателей основан и разработанный датчик для контроля концентрации примесей в жидкой и газообразной среде, позволяющий осуществлять экспресс-контроль в ; динамнке производства.

* .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ современного состояния по разработкам свер/оыстродействующих элементов систем обработки цифровой информации. Показано, что основным ограничением развития современной микроэлектроники остается проблема повышения быстродействия. Одним из подходов к решению этой проблемы является использование устройств, базирующихся на принципах топологической импульсной модуляции - топологических переключателей. Имеется возможность реализации топологических ключей с характеристиками, близкими к фундаментальным пределам.

2. Наиболее перспективными в смысле быстродействия являются, в настоящее время, копланарные и связанные линии передачи, на основе которых и строятся разрабатываемые топологические ключи.

3. Приведена классификация топологических переключателей по их рабочей полосе частот. Наиболее широкополосными, что необходимо для удовлетворения требованиям к сверхбысородейявущнм устройствам, являются топологические ключи резистнвного типа. Предложена методика проектирования топологических ключей.

4. Предложена и исследована физико-математическая модель топологического переключателя резисгивного типа.

5. Проведен расчет временных характеристик переключателя, быстродействие топологических ключей микронных размеров составляет менее 1 пс.

6. Сделан сравнительный энергетический анализ переключателей и существующих полупроводниковых устройств. Произведение рассеиваемой мощности на время задержки сигнала в топологических ключах достигает 0,02 фДж, что на один-два порядка лучше характеристик

полупроводниковых устройств. Общие потери в топологических переключателях не превышают 1 дБ.

7. Проведены экспериментальные исследования частотных характеристик топологического ключа, выполненного по гибридной технологии. Подтвержден эффект пространственного разделения топологически модулированных сигналов, развязка между выходными плечами логических сигналов составила 35 дБ.

8. На основе топологических ключей предложены устройства гибридной логики типа И/ИЛИ, которые имеют возможность перестраивать свои логические функции без изменения схемы, а также новые'тнпы волноведущих линий для передачи цифровой информации электромагнитного поля, на основе которых могут быть изготовлены датчики контроля концентрации примесей.в жидкой и газообразной среде.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Гвоздев В.И., Нефедов Б.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. М.: Наука. 1985. 256 с,

2. Кузаев Г.А. Анализ сходимости решений в топологических задачах ОИС СВЧ. // В кн.: "Техника, теория, математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на ОИС СВЧ и КВЧ." Под ред. Е.И. Нефедова. М.: Изд-во МГП РНТОРЭС им. A.C. Попова. 1992. Т. 2. С. 238-241.

3. Быков Д.В., Гвоздев В.И., Кузаев Г.А. К теории топологической модуляции электромагнитного поля СВЧ. // Доклады РАН. 1994. Т. 336. №4. с. 386-391. 1

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Назаров И.В. Метод граничных элементов в моделировании компонентов изделий микроэлектронной аппаратуры. II Проблемы обеспечения высокой надежности мнкроэпектронной аппаратуры. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Запорожье. 1990. С. 18.

2. Назаров И.В. Использование моделей ЯС-цепей с распределенными

параметрами в САПР ПС. Н Конструирование быстродействующей

13

помехозащшценной аппаратуры. Межвузовский сборник научных трудов. Москва. 1991. С. 112-115.

3. Кузаев Г.А., Назаров И,В. Квазинейронные эффекты для топологически модулированных полей СВЧ сигналов. //Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. 1993. Вып. 3. С. 17-18.

4. Кузаев Г.А., Назаров И.В.. Топологическая импульсная модуляция поля и'логические гибридные устройства. // Конференция и выставка "СВЧ-техника и спутниковый прием". Материалы конференции. Том 4. Севастополь. 1993. С. 443-446.

5. Кузаев ГА., Назаров И.В. К теории СВЧ-устройств гибридной логики. II Радиотехника и электроника. 1994. № 8-9. С. 1401-1407.

6. Назаров И.В., Портнов Д.Ю. Квазинейронный логический элемент на ОИС СВЧ. // Тез. докл. Научно-технической конференции-конкурса студентов,»аспирантов и молодых специалистов. МГИЭМ. 1994. С. 12.

7. В.И. Гвоздев, Г.А. Кузаев, И.В. Назаров. Топологические ключи для пнхосекундной цифровой обработки СВЧ сигналов. II Микроэлектроника. 1995. Том 23. Вып. 5. № I.C. 79-97.