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專欄

電路設計和EMC設計的關鍵

第2篇 半導體概述(2)
半導體積體電路(LSI和IC)

半導體發展的關鍵“微細化”與EMC的關係

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大家好! 我是ROHM的稻垣。

在第2篇中,我們來談一談半導體積體電路。通常,大型積體電路和積體電路也被稱為“LSI(Large Scale Integrated Circuits)”和“IC(Integrated Circuits)”。根據電路規模,在名稱上會有這樣的不同,但並沒有嚴格的區分。很早以前大多稱為“IC”。正如您所知道的,一個電晶體只能執行簡單的工作,但是透過將多個電晶體制作在同一個矽晶基板上,則可以實現複雜的功能和高精度的電路工作。半導體積體電路(LSI、IC)的電路設計者的主要工作是透過電晶體的組合來打造出色的電路。

ROHM量產中的主要產品群包括3,480種電源管理和電源IC、652種記憶體、396種線性放大器、259種馬達驅動器和致動器驅動器、133種音訊IC和視訊IC及其他等共5115種產品。其中也包括很多種電晶體和二極體。隨著從傳統的客製化產品向通用產品的轉變,半導體積體電路(LSI、IC)的產品體系也越來越豐富。

大約在30年前,也就是我剛加入ROHM公司的年代,雙極性元件和CMOS元件的最小佈線寬度或閘極長度是10µm(10×10-6m),而如今,最近有新聞稱國外已經開始著手研發2nm(2×10-9m)的CMOS元件了(預計2022年完成)。與30多年前相比,如今的最小加工尺寸已經發展到1/5,000,可見微細化發展程度之大。這是一個令人驚歎的數字,這意味著最小閘極長度僅為幾個原子大小的CMOS元件的製造與量產將成為可能。真的很棒!其實,對於這種微細化的發展趨勢,是有一個著名的定律的,即美國英特爾公司提出的“摩爾定律”。其核心內容為:積體電路上可以容納的電晶體數目在大約每經過1.5年~2年便會增加一倍。英特爾的中央處理器(CPU)也是基於該定律而製造的。另外,在IEEE國際元件與系統路線圖IRDS(IEEE International Roadmap for Devices and Systems)中,也詳細預測了未來的製造製程發展趨勢。感興趣的可以上網搜索一下,很有意思(https://irds.ieee.org/)!如果半導體積體電路(LSI、IC)的元件尺寸越來越小,那麼在同一尺寸的晶片上將可以積體更多的電晶體,從而可以實現更高的性能。另外,雖然半導體元件的耐壓將會變低,但工作電壓也會隨之變低,從而可以延長電池的驅動時間。此外,由於半導體元件的寄生電容減小,因此工作速度會更高,性能也會更高。

現在讓我們來看看“電磁相容性(EMC)”和微細化之間的關係吧!對於自身發出電磁雜訊的“電磁干擾(EMI)”來說,隨著微細化的發展,工作電壓會越來越低,低頻電磁雜訊隨之減少,工作頻率由於寄生電容的減小而提高,從而呈現高頻雜訊增加的趨勢。而對於由外部電磁雜訊導致誤動作的情況—“電磁敏感性(EMS)”來說,同樣,隨著微細化的發展,工作電壓也會越來越低,導致雜訊餘裕(noise margin)變小,因此反應更靈敏,更容易發生誤動作(這點很重要!)。也就是說,並不是最新的製造製程都是好的,從電磁相容性(EMC)角度講,在很多情況下,用稍舊的製造製程量產的半導體積體電路(LSI、IC)反而更好。

例如,對於差分運算放大器(運放)來說,最好選擇至少能夠確保所需工作頻寬的產品。如果是頻寬擴展到超過必要的更高頻率的產品(更加微細化的製造製程),就需要增加對高頻條件下電磁相容性(EMC)的驗證(需要額外關注)。此外,對於通用邏輯等產品,則希望避免選擇工作電壓低於所需電壓的產品。此外,對於實現了複雜功能的產品,有各種措施(技術)和設計方法來改善電磁相容性(EMC)。這些在每種產品的應用手冊中也會有提供,我也想在本專欄中逐一進行詳細介紹。敬請期待!

感謝您閱讀本文。

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