رادار اتومبیل از راه دور – بخش دو

حتی متخصصان صنعت گالیم آرسناید انتظار دارند که تراشه‌های سیلیکونی سهم بیشتری از بازار رادار خودرو را به خود جذب کنند. آصف انور، مدیر برنامه‌های آرسناید گالیم و تکنولوژی‌های نیمه هادی ترکیب شده در تحقیقات بازار Strategy Analytics در انگلیس، پیش بینی می‌کند که در سه سال آینده، سهم سیلیکون در بازار تراشه برای رادار خودرو، از تقریبا صفر به 60 درصد افزایش یابد. Freescale Semiconductor در ایالات متحده در آستین، تگزاس، به تازگی شروع به ارسال نمونه‌هایی از تراشه مبتنی بر سیلیکون به سازندگان رادار نقطه کور خودرو کرده است. شرکت‌های دیگر مطمئنا به دنبال گزینه‌های مناسب هستند.

Infineon به این ترتیب دیدگاه معمولی درباره تراشه‌های سیلیکونی را که هرگز قادر به تولید، تشخیص و تقویت فرکانس‌های بالا نخواهند بود، تغییر داد. مشکل این است که الکترونها درون این چیپ‌ها به آرامی حرکت می‌کنند؛ به همین دلیل است که یک دهه پیش Infineon و تعدادی از شرکت‌های دیگر از آرسنید گالیم سریعتر برای ساخت تراشه‌های رادار استفاده می‌کردند. اما در اواسط سال 2002، Infineon از کسب و کار گالیم آرسناید خارج شد. یک سال بعد شرکت بوش از تراشه‌های رادار خودرو بر مبنای سیلیکون استفاده کرد.

رودولف لاچنر، مدیر برنامه Infineon برای فن آوری‌های رادار خاطرنشان کرد: در آن زمان همه فکر می‌کردند که نمی‌توان از فن آوری‌های مبتنی بر سیلیکون استفاده کرد. اما ما از برخی مدارهای با سرعت بالا مانند اسیلاتورهای کنترل شده با ولتاژ استفاده کردیم که در 77 گیگاهرتز کار می‌کردند.

افزایش سرعت ترانزیستورهای سیلیکونی رادار

مهندسان Infineon برای تحقق چنین سرعتهای بالایی از یک ترانزیستور سیلیکون در قلب دستگاه با یک لایه نازک تبدیل استفاده کردند که از چهار قسمت سیلیکونی و یک بخش ژرمانیومی تشکیل شده بود. این ایده یک گزینه قدیمی بود. در واقع، آن را می‌توان به کار نظری که فیزیکدان برنده جایزه نوبل هربرت کرامر، در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، در سال 1950 انجام داده بود مرتبط دانست. با این حال، همه مردم جهان تا سال 1975 برای اولین دستگاه واقعی ساخته شده در مرکز تحقیقات AEG در حال حاضر بخشی از Daimler در Ulm، آلمان منتظر ماندند. ادعای Infineon به شهرت این نوع ترانزیستورها به منظور ثبت سرعت افزود که به لطف پیشرفت در پیکربندی داخلی و کیفیت مواد است.

اضافه کردن این لایه آلیاژ سیلیکون ژرمانیومی، میدان‌های الکتریکی را نشان می‌دهد که الکترون را در حال حرکت با معادله یک مسیر صعودی نمایش می‌دهد و سرعت آن را به طور خودکار افزایش می‌دهد. در حال حاضر حتی ترانزیستورهای با لایه‌های نازک 50 نانومتری می‌توانند به سرعت مورد نیاز توسط رادار خودرو 77 گیگاهرتزی برسند.

استفاده از ترانزیستورهای جدید، یک سطح مزایای دیگر را فراهم می‌کند. شما می‌توانید ترانزیستورهای سیلیکونی معمولی را با کم کردن ضخامت لایه پایه، سریعتر کنید، اما فقط قادر به دخالت در جریان الکترونها و افزایش صدای پس زمینه خواهید بود. برای مخلوط کردن آن، می‌توانید سعی مقاومت پایه را با ترکیب سیلیکون با ردیابی بور، که در اتم‌ها سه الکترون در پوسته خارجی دارند، به جای چهار سیلیکون، کاهش دهید.

از آنجا که الکترونهای کافی برای تشکیل تمام پیوندهای کووالانسی وجود ندارند، شما یک حفره یا ذره مثبت مجازی دریافت می‌کنید که درون کریستال حرکت می‌کند و رسانایی آن را افزایش می‌دهد. متاسفانه، افزایش قدرت ترکیب پایه با این روش قدرت جذب یا تقویت آن را کاهش می‌دهد. کار با یک لایه پایه ژرمانیوم سیلیکونی این مشکل را برطرف می‌کند، زیرا این کار باعث افزایش سهم آن در میزان افزایش جذب می‌شود و از خسارت ناشی از ترکیب جلوگیری می‌کند. شما می‌توانید ترکیب پایه را بالا ببرید، لاچنر این گونه توضیح می‌دهد: با بالا بردن آن، شما یک مقاومت پایه بسیار پایین دریافت می‌کنید که رفتار نویز ترانزیستور شما را بهبود می‌بخشد.

توسعه فناوری و کاهش قیمت‌ها

بینش اساسی ناشی از کار Infineon در اوایل دهه 1990 این بود که توسعه تراشه برای نسل بعدی رایانه‌ها فراهم شود. این پروژه هرگز متوقف نشد. این شرکت همچنین توانست تراشه‌های خود را در بین فروشندگان تلفن‌های همراه توسعه دهد: با کوچکتر شدن ترانزیستورهای معمولی، قیمت پایین‌تر آنها نسبت به مصرف انرژی پایین‌تر چیپ‌های Infineon اهمیت بیشتری پیدا کرد. اما به زودی پس از آن، Infineon به وضوح یک فن آوری مناسب برای رادار خودروها محسوب می‌شد.

شايد اين سرعت وحشتناک خودروها در اتوبان‌های آلمان بود که استفاده از تکنولوژی رادار را با مشکل مواجه کرد. این پروژه به شرکت اجازه داد تا با سازندگان سیستم‌های رادار خودرو بوش و کنتیننتال و خودروسازان BMW و Daimler همکاری کند.

نمونه‌های اولیه Infineon می‌توانند تا محدوده 80 گیگاهرتز کار کنند، که به اندازه کافی برای استفاده در اسیلاتور اما نه در تقویت کننده‌ها مناسب خواهد بود. این به این دلیل است که برای یک ترانزیستور برای کسب سود معقول در یک فرکانس مشخص، باید آن را تا حدود سه برابر ارزش بالا ببرید. مهندسان Infineon در سال 2007 با بهبود کیفیت ژرمانیوم سیلیکونی، حداکثر فرکانس عملکرد ترانزیستور را تا سطح مورد نیاز افزایش دادند و به زودی تولید اولین رادار تراشه‌های تجاری سیلیکون ژرمانیومی در 77 گیگاهرتز عملی شد . چهار سال بعد، Infineon همچنان به فشرده کردن تراشه‌های خود در رگنسبورگ، آلمان ادامه داد.

قرار دادن لایه ژرمانیوم سیلیکونی در دستگاه نیازی به هیچ گونه تکنیک و ابزار فوق العاده ندارد: Infineon به سادگی با استفاده از قطعات 200 میلی متری سیلیکونی، فیلم‌های سیلیکونی نازک را با استفاده از رسوب گذاری مواد شیمیایی معمولی تولید می‌کند. در نقطه مناسب در طول فرایند یک شیر دریچه باز می‌شود و گازهای مبتنی بر ژرمانیوم به داخل اتاق وارد می‌شوند و یک فیلم ژرمانیوم سیلیکونی تشکیل می‌شود.