Bipolar-CMOS-Technik

Grundprinzip der BiCMOS-Technik

Die Bipolar-CMOS-Technik, kurz BiCMOS, ist eine Fertigungsmethode der Halbleitertechnik. Sie vereint in einer einzigen integrierten Schaltung zwei ursprünglich getrennte Schaltungstechniken: Bipolartransistoren (BJT) und CMOS-Logikgatter. CMOS bedeutet komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter und beruht auf Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs).

Der Zweck dieser Kombination ist, die jeweiligen Stärken beider Transistorarten auszunutzen: Bipolartransistoren eignen sich besonders für schnelle und anspruchsvolle analoge Schaltungsteile, CMOS besonders für umfangreiche digitale Logik mit geringem Stromverbrauch. In jüngerer Zeit wurden bipolare Prozesse auch auf Verbindungshalbleiter mit hoher Elektronenbeweglichkeit wie Siliciumgermanium ausgeweitet.

Einsatz in gemischten Schaltungen

Bipolartransistoren haben hohe Geschwindigkeit, hohe Verstärkung und eine niedrige Ausgangsimpedanz, also einen geringen Widerstand am Ausgang einer Schaltung. Dafür ist ihr Stromverbrauch pro Bauelement relativ hoch. Diese Eigenschaften sind besonders günstig für analoge Hochfrequenzverstärker, auch für rauscharme Hochfrequenzverstärker, die nur wenige aktive Bauelemente benötigen.

CMOS besitzt dagegen eine hohe Eingangsimpedanz und eignet sich sehr gut für eine große Anzahl von Logikgattern bei niedrigem Stromverbrauch. In einem BiCMOS-Prozess werden Dotierungsprofile und weitere Prozessmerkmale so eingestellt, dass entweder CMOS- oder bipolare Bauelemente bevorzugt werden. Zusätzlich kann der Prozess Schritte zur Abscheidung von Präzisionswiderständen sowie HF-Induktoren und -Kondensatoren mit hohem Q-Wert enthalten. Der Q-Wert beschreibt hier die Güte dieser Hochfrequenzbauelemente. Solche zusätzlichen Bauelemente werden in einem reinen CMOS-Logikdesign nicht benötigt.

BiCMOS ist für Mixed-Signal-ICs vorgesehen, also integrierte Schaltungen mit analogen und digitalen Teilen. Beispiele sind Analog-Digital-Umsetzer (ADCs) und vollständige Software-Defined-Radio-Systeme als System-on-a-Chip. Sie benötigen Verstärker, analoge Stromversorgungsschaltungen und Logikgatter auf demselben Chip. BiCMOS bietet dabei auch Vorteile für digitale Schnittstellen.

Typische Aufteilung der Transistoraufgaben

In BiCMOS-Schaltungen wird jeder Transistortyp dort eingesetzt, wo seine Eigenschaften besonders nützlich sind. Hochstromschaltungen, etwa On-Chip-Leistungsregler, verwenden MOSFETs zur effizienten Steuerung. Größere Logikschaltungen werden meist mit herkömmlichen CMOS-Strukturen aufgebaut.

Bipolare Bauelemente werden dagegen für spezialisierte Hochleistungsschaltungen verwendet, beispielsweise für ECL-Teiler und rauscharme Verstärker (LNAs). Weitere genannte Anwendungen sind HF-Oszillatoren, Bandabstandsreferenzen und rauscharme Schaltungen. Auch die Mikroprozessoren Pentium, Pentium Pro und SuperSPARC verwenden BiCMOS.

Grenzen und Entwicklung

Ein Nachteil besteht darin, dass sich einige Vorteile der CMOS-Fertigung, insbesondere sehr niedrige Kosten bei der Massenproduktion, nicht direkt auf BiCMOS übertragen lassen. BJT- und MOS-Komponenten können nicht beide optimal gefertigt werden, ohne viele zusätzliche Fertigungsschritte einzuführen. Dies erhöht die Prozesskosten und verringert die Ausbeute. In der Hochleistungslogik kann BiCMOS wegen eines möglicherweise höheren Standby-Leckstroms außerdem niemals einen so niedrigen Stromverbrauch erreichen wie ein ausschließlich für CMOS optimierter Prozess.

Im Juli 1968 demonstrierten Hung-Chang Lin und Ramachandra R. Iyer bei der Westinghouse Electric Corporation einen integrierten Bipolar-MOS-Audioverstärker. Im Oktober 1968 zeigten Lin, Iyer und C.T. Ho dort den ersten integrierten BiCMOS-Schaltkreis, der BJT- und CMOS-Technologien in einem Schaltkreis verband. 1984 stellte ein Hitachi-Forschungsteam unter Leitung von H. Higuchi, Goro Kitsukawa und Takahide Ikeda die BiCMOS-Großintegration (LSI) vor. In den 1990er Jahren begannen verschiedene Hersteller, BiCMOS kommerziell zu nutzen, vor allem für Verstärker und analoge Leistungsmanagement-Schaltungen.

Eine Variante ist die Bipolar-CMOS-DMOS-Technologie (BCD). Sie kombiniert BiCMOS mit DMOS (double-diffused MOS), einer Leistungs-MOSFET-Technologie. Auf einem Leistungs-IC verbindet sie Bipolartechnik für präzise analoge Funktionen, CMOS für digitales Design sowie DMOS für Leistungselektronik und Hochspannungselemente. STMicroelectronics entwickelte sie Mitte der 1980er Jahre. Es gibt High-Voltage-BCD und High-Density-BCD; Anwendungen umfassen unter anderem SOI-BCD in medizinischer Elektronik, Automobilsicherheit und Audiotechnik.