1.8 Grundlagen der Digitaltechnik

Informatik V, Kap. 8, WS 98/99
Bezüglich der erreichbaren Schaltgeschwindigkeiten bieten Bauelemente aus Gallium-Arsenid gegenüber
Silizium Vorteile.
Bei niedrigen elektrischen Feldstärken hat Gallium-Arsenid eine etwa sechsfach höhere Elektronenbeweglichkeit
als Silizium. Während Silizium bei normalen Temperaturen eine Leitfähigkeit hat, die
insbesondere bei hohen Frequenzen zu Verlusten führt, ist Gallium-Arsenid nahezu ein Isolator, hat
also wesentlich geringere Verluste.
Der höhere Bandabstand erlaubt auch eine höhere Betriebstemperatur (bis ca. 250 Grad Celsius).
Als wesentlichen Vorteil bietet Gallium-Arsenid auch die mögliche Kombination elektronischer und
optischer Bauelemente.
Dem stehen wesentliche Nachteile gegenüber:
Zunächst ist das Ausgangsmaterial längst nicht so verfügbar wie Silizium. Eine auf Oxidation
aufgebaute planare Fertigungstechnologie funktioniert mit GaAs nicht, weil weder Ga noch As ein
stabiles Oxid bilden. Deshalb haben GaAs-Technologien mit MOS-Transistoren (man muß dazu
SiO2 oder Si3N4 nehmen) auch keine praktische Bedeutung erlangt.
Gallium-Arsenid ist mechanisch längst nicht so stabil wie Silizium, man kann deshalb nur kleine
Wafer mit Durchmessern von maximal ca. 10 cm verwenden, während Silizium-ICs Wafer von 30 cm
und mehr Durchmesser erlauben.
Alle analogen und digitalen IC-Technlogien auf der Basis von GaAs verwenden den MESFET, also
den Transistor mit Schottky-Übergang als aktives Bauelement.
Dies hat verschiedene Konsequenzen:
Der Spannungsbereich am Gate ist beschränkt in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung. GaAs-
Schaltungen haben deshalb einen internen logischen Hub von nur ca. 0,4 V. Dies bedingt wiederum,
daß die technologisch bedingten Schwankungen von Schwellenspannungen auf einem Chip nur sehr
klein sein dürfen (ca. 0,1V).
Zunächst sind nur selbstleitende Transistoren verfügbar, außerdem nur solche mit n-leitendem Kanal.
Die fortgeschrittenste GaAs-Technologie ist die sogenannte DCFL (direct coupled FET) Logik. Sie
verwendet selbstleitende und selbstsperrende FETs (Abb. 8 58) und ähnelt im Schaltungsaufbau der
nMOS-Technolgie.
VDD
Ue1
Ue2
T1
T3
T2
Ua
Abb. 8.58: Grundgatter (NOR) in DCFL-Technologie
Die Transistoren T1 und T2 sind selbstsperrend, T3 ist selbstleitend und wirkt als passives
Widerstandselement. Das Grundgatter ist ein NOR.
Andere GaAs-Technologien, die Buffered FET Logic (BFL) und die Schottky-Diode-FET Logic)
verwenden nur selbstleitende FETs und Dioden zum Pegelshift. Wegen den geringeren
Leistungsaufnahme eignet sich vornehmlich die DCFL für die Großintegration. Mit GaAs-
Schaltkreisen wurden bisher Komplexitäten bis ca. 100 000 Gatter erreicht, also z. B. komplette
Mikroprozessoren entwickelt.
36