Los circuitos MMI o MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) son un tipo de circuitos integrados que operan en frecuencias de microondas, es decir, entre 300 MHz y 300 GHz. La técnica de fabricación de los circuitos MMIC se basa en la utilización de líneas de transmisión planares, y se realiza con compuestos de semiconductores compuestos, tales como el arseniuro de galio (GaAS), nitruro de galio (GaN) y el silicio-germanio (SiGe).
Las entradas y salidas de los dispositivos MMIC están, generalmente, internamente adaptadas con una impedancia característica de 50 ohmios. Esto facilita el uso de dichos dispositivos, así como su uso en forma de cascada, ya que no requieren red de adaptación externa. Adicionalmente, la mayoría de los equipamientos de pruebas de microondas se diseñan para operar en unas condiciones de 50 ohmios.
Los MMIC son dimensionalmente pequeños (desde 1 mm² a 10 mm²) y pueden ser producidos a gran escala, lo que ha facilitado su proliferación en dispositivos de alta frecuencia, como pueden ser los teléfonos móviles.
Historia
Entre 1930 y 1960 la tecnología de microondas consistía en la utilización de guías de ondas para la creación de circuitos, lo que conllevaba que el proceso de fabricación fuese largo y costoso. La revolución aparece sobre 1960 con la aparición de la tecnología planar y la producción de materiales dieléctricos más baratos y con menos pérdidas, dando lugar a la tecnología MIC (Microwaves Integrated Circuits).
Esta tecnología evoluciona a los MIC monolíticos (MMIC) cuando en 1975 Ray Pengelly y James Turner publican su estudio “Monolithic Broadband GaAs FET Amplifiers”, convirtiéndose así en los padres e inventores de los MMIC. Cuando trabajaban en Plessey diseñaron un amplificador de una sola etapa con una ganancia de 5 dB en la banda X que usaba puertas de escritura óptica de 1 micrón. Usaban sistemas de optimización por ordenador para diseñar su elemento, haciendo uniones de estructuras. El proceso de “backside” todavía no había sido inventado, así que los FET tenían toma de tierra externa.
Los primeros MMIC se fabricaron de Arseniuro de Galio (GaAs), el cual tiene dos ventajas fundamentales frente al Silicio (Si), que es el material tradicional para la fabricación de circuitos integrados: la velocidad del dispositivo y el sustrato semi-aislante. Este tipo de circuito usa una solución cristalina para el dieléctrico y la capa activa. El GaAs es útil gracias a su capacidad para trabajar en altas frecuencias y a que su alta resistividad evita interferencias entre dispositivos. Esto permite la integración de dispositivos activos (radiofrecuencia), líneas de transmisión y elementos pasivos en un único sustrato.
En los años 80, la Agencia de Proyectos Avanzados de Investigación de Defensa (DARPA) empezó a realizar un gran esfuerzo para obtener un mayor desarrollo de los circuitos integrados de microondas para sustituir los tubos, cavidades y dispositivos discretos usados en sistemas de telecomunicación y radar. Bajo contratación de DARPA, Northrop Grumman Corporation (antiguamente TRW) consiguió producir con éxito MMICs de GaAs usando Transistores de Alta Movilidad Electrónica (HEMT) y Transistores Bipolares de Unión Heterogénea (HBT).
En los primeros MMICs, todos los circuitos estaban hechos con GaAs MESFET, diodos IMPATT (Impact Ionization Avalanche Transit Time) y diodos varactores, pero con la maduración de la tecnología GaAs se incrementa el uso de Hits, HEMTs y PHEMTs en aplicaciones nicho. En la siguiente tabla se tiene los circuitos usados comúnmente en cada dispositivo, además de los fallos originados en la mayoría dispositivos activos de los MMIC.
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La importancia del Arseniuro de Galio semi-aislante se basa en que los dispositivos hechos del mismo mediante implantación directa de iones están semi-aislados, por eso está adaptado a la fabricación de circuitos integrados. Además, el sustrato semi-aislante produce reducidas capacitancias parásitas, siendo así dispositivos más rápidos y que permiten la implementación de MMIC.
Sin embargo, la velocidad de las tecnologías de Silicio ha ido incrementándose al mismo tiempo que el tamaño de los transistores ha ido disminuyendo, es por este motivo que es posible construir MMIC con este material. Es muy importante este hecho, ya que la principal ventaja de la tecnología de Silicio es el coste, y los MMIC de Silicio abaratan costes frente a sus homónimos de Arseniuro de Galio. Otro de los factores que abaratan costes si se emplea Silicio en la fabricación en lugar de Arseniuro de Galio, es que los diámetros de la oblea son ligeramente mayores (de 8 a 12 pulgadas, frente a las 4 o 6 que se emplean para Arseniuro de Galio). Todos estos factores colaboran en abaratar los precios en la fabricación de los circuitos integrados.
Hasta el momento se han mentado el Silicio y el Arseniuro de Galio en la fabricación de MMIC, pero no solo se emplean estos materiales. También se utiliza, por ejemplo, el Fosfato de Indio, que mejora la ganancia, la frecuencia de corte y produce ruidos más bajos. Pero es, debido a su alto coste y la fragilidad de los materiales, ya que las obleas hechas de este material tienen que ser más pequeñas, que no sea muy extendido su uso. Otro de los materiales que puede usarse para este tipo de circuitos integrados es el Germanio de Silicio (SiGe) que ofrece más altas velocidades que los dispositivos de silicio convencionales, pero ventajas de coste similares. Por otra parte el GaAs posee propiedades que eliminan la diafonía, por lo que se integra en dispositivos de radio, líneas de transmisión…
En comparación con otras tecnologías de microondas, los MMIC de GaAs ofrece las siguientes ventajas:
Reducción de tamaño. Reducción de costes para volúmenes de producción medio-altos Mejora de las características de los sistemas por la inclusión de algunas funciones como lógicas, RF,.. en un único circuito Mejora de la reproducibilidad, debido al procesamiento e integración uniforme para todas las partes del circuito. Mejora del diseño sin necesidad de realizar numerosas iteraciones, debido a la reproducibilidad y al diseño asistido por ordenador. Mayor rango de frecuencias, reduciendo efectos parasitarios en los dispositivos.
Fabricación
Desde hace unas cuantas décadas, los circuitos de microondas de estado sólido eran fabricados exclusivamente sobre la base de componentes discretos que incluían dispositivos de circuitos activos de semiconductor como transistores y diodos. Incluso hoy, el mercado es compartido entre los antiguos diseños y los nuevos. Mientras que los componentes discretos son hechos sobre la base de tecnologías bipolares de silicio, los circuitos MMIC son hechos principalmente de arseniuro de galio (GaAs).
Los circuitos MMIC ofrecen mejoras de ancho de banda sobre los circuitos hechos sobre la base de componentes integrados. La razón de esto es que se evitan pérdidas eléctricas y capacidades parásitas al poderse colocar las redes de acoplamiento más próximamente a los transistores. Este efecto produce un gran avance en la fiabilidad de las aplicaciones que requieren un gran número de elementos. En estas aplicaciones cada módulo del sistema de arrays puede necesitar cerca de tres chips que incorporen amplificadores de potencia, amplificadores de bajo ruido y desplazadores de fase. Los beneficios de la integración de aplicaciones de microondas hasta ahora han sido exclusivamente para los dispositivos de arseniuro de galio. Una razón de que el arseniuro de galio haya sido elegido para este tipo de aplicaciones es que este material tiene una alta movilidad de electrones que incrementa el rendimiento de los dispositivos a altas frecuencias. Mientras que los transistores bipolares pueden ser utilizados a frecuencias de microondas, los circuitos integrados que tienen una movilidad de electrones más baja son generalmente inferiores en frecuencias de microondas. La movilidad de los electrones no es el único parámetro a favor del arseniuro de galio. La gran capacidad de aislamiento del arseniuro de galio también debe ser tomada en cuenta. Ordinariamente el material de silicio es varios órdenes de magnitud más conductivo que el arseniuro de galio limitando esta característica la ganancia máxima que puede estar disponible a altas frecuencias por dispositivos de silicio. Este aislamiento inhibe corrientes parásitas entre electrodos de transistores en el mismo chip que de otra forma afectarían su rendimiento como un circuito de microondas integrado.
Históricamente, y a pesar de los avances en arseniuro de galio descritos más arriba, la utilización de este materias a gran escala ha sido lento debidos a los problemas de fabricación. Estos problemas han incluido la indisponibilidad de material de substrato de arseniuro de galio de gran calidad. Métodos de fabricación no orientados hacia las obleas de rápida respuesta que en silicio han tendido hacia la evolución de una tecnología de fabricación competitiva, y los problemas básicos con un compuesto de semiconductor frente a uno simple. Estos se reflejan en la dificultad del procedimiento de control y ceden en mantenimiento que afecta al coste por unidad. Además de esto la fragilidad física y química del material que hace más compleja la fabricación incluso desde sus inicios. Las obleas de arseniuro de galio se destacan por su fragilidad que desemboca en que solo la mitad de las obleas sobreviven desde las primeras pruebas de radiofrecuencia. Mientras que la industria de silicio se orienta hacia las obleas de 200 mm, el arseniuro de galio están disponibles desde los 75 mm de diámetro con un coste muy superior al silicio. Hoy en día la producción de arseniuro de galio es una pequeña parte del mercado para dispositivos de silicio. Por lo tanto la penalización en costes asociada con el mayor rendimiento del arseniuro de galio es un punto en contra.
Un subconjunto de la tecnología CMOS es llamada SOI (Silicon On Insulator). Durante la última década, las implementaciones de SOI se han convertido en las preferidas para fabricar circuitos integrados de señal de alta radiación. Un subconjunto de SIO es el SOS (Silicon On Sapphire). Esta tecnología conduce al endurecimiento de los requisitos para mejorar el aislamiento electrónico de los componentes en el substrato. En particular, la distribución del exceso de electrones creada por el bombardeo de radiación es confinada a fin de evitar que cause sobrecargas o errores “débiles”. La misma técnica ofrece una gran mejora en frecuencia. Aun así el problema con la tecnología SOS es que posee una interfaz electrónica imperfecta entre el aislante sobre la que el silicio se deposita y el mismo silicio. Esto resulta en un efecto de “canal de lagunas”. Mientras que las imperfecciones relacionadas con este efecto no dificultan la radiación por sí solas, tienden a deteriorar el dispositivo con respecto a su rendimiento habitual y pueden afectar gravemente las especificaciones normales del circuito. Este efecto puede ser particularmente desastroso en frecuencias de microondas ya que limita la ganancia máxima disponible. Aparte de estas limitaciones el grosor mínimo del dispositivo que puede ser aislado es una contrapartida. Sin embargo hoy en día hay alternativas al silicio sobre zafiro.
En los últimos años una nueva tecnología de materiales de silicio SOI se ha desarrollado. Se llama “Separación por Implantación en Oxígeno” (SIMOX). Para hacer una oblea en esta tecnología se implanta una gran cantidad de oxígeno sobre la superficie de la oblea. Templando esta superficie convierte esta superficie en una película de cristal aislante. La ventaja de esta técnica sobre el SOS es la disminución del grosor de la capa activa confinando los efectos de la radiación de ionización. Los efectos del efecto de lagunas también es minimizado. Sin embargo, aunque los dispositivos activos están desacoplados del substrato literalmente, permanecen acoplados en cuanto