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Microeletrônica
Prof. Fernando Massa Fernandes
(Prof. Germano Maioli Penello)
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html
Sala 5017 E
https://www.fermassa.com/Microeletronica.php
Programa
1. Introdução à tecnologia CMOS
2. Poço condutor - well
3. Camadas metálicas – interconexão
4. Camada ativa e polisilício
5. Resistores, capacitores e MOSFETs
6. Operação do MOSFET
7. Técnicas de fabricação CMOS
8. Modelos digitais (CMOS)
9. Porta inversora (CMOS)
Revisão
3
Microondas I
Bibliografia Básica:
CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation, R. Jacob Baker
Wiley-IEEE Press, ISBN 9780470881323, 3rd Edition, 2010
Complementar:
CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective Neil H. E. Weste, David Money Harris Addison Wesley, 4th Edition (2010)
VLSI Fabrication Priciples – Silicon and Gallium Arsenide2nd EditionSorab K. Ghandhi
The science and Engineering of Microelectronic Fabrication2nd EditionStephen A. Campbell
Introdução – Programa Revisão
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Microondas I
Avaliação:
→ Média de provas (MP) e Média de trabalhos (MT)
→ Média Final, MF = (0,7.MP + 0,3.MT) ≥ 5 → Aprovado!
* Será oferecida uma prova de reposição (Pr) para aqueles que perderem qualquer uma das duas provas.
Introdução – Programa
MP=P1+P 2
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Revisão
Objetivos
I. Conhecer os fundamentos do processo de fabricação de microcircuitos
e suas principais etapas.
I. Compreender a estrutura dos componentes básicos obtidos por meio
da tecnologia de fabricação CMOS, e suas principais características de
fabricação e operação.
I. Ser capaz de projetar e simular um microcircuito simples.
Revisão
Visão geral do curso
• Introdução CMOS• Substrato• Cálculo de resistência• Junção PN• Regras de design – poço• Camada metálica• Regras de design – camada metálica• Resistência de contato• Exemplos de leiaute• Camada ativa e de polisilício• Conectando os fios• Regras de design – MOSIS• Dispositivos (resistores, capacitores, MOSFETs)• Características do MOSFET• Técnicas de fabricação e processamento
Níveis de abstração
Revisão
Regressão Histórica1946. Computador ENIAC
→ 17.000 válvulas termiônicas (160 kW)→ Complexidade = Perda de confiabilidade→ Tempo longo de reparação e manutenção→ Alto custo e grande espaço físico necessário→ Desenvolvimento inviável com essa tecnologia
http://museo.inf.upv.es/eniac/
Revisão
Regressão Histórica1948. Primeiro transistor de estado sólido (BJT)
→ Laboratórios Bell (US)→ Willian Shockley→ Semicondutor Germânio
1949. Patente de um amplificador integrado(5 transistores em um substrato semicondutor comum)→ Siemens (DE) – Aparelho auditivo→ Werner Jacobi
1953. Patente de método de integração de componentes eletrônicos usando uma camada de semicondutor*→ Transistores BJT (10 x 1,6 mm)→ Harwick Johnson
1954. Primeiro transistor BJT de silício→ Texas Instruments→ Gordon Kid
Revisão
Regressão Histórica1958. Primeiro protótipo de um CI usando componentes discretos*
→ Oscilador de 1 transistor (Patente de Johnson)→ Texas Instruments→ Jack Kilby (nobel 2000) + contribuições
“Todos os componentes de um circuito podem ser formados em um único cristal semicondutor
adicionando-se apenas as interconexões”
1959. Processo de fabricação planar de transistores BJT de silício(dopagem por difusão e processo de oxidação)*→ Fairchield Semiconductor→ Jean Hoerni (difusão) e Robert Noyce (Isolação por junção PN e
metalização de conectores com alumínio)
1959. Invenção do MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) → Laboratórios Bell→ Dawan Kahng & Martin Atalla
Revisão
Regressão Histórica1963. Patente da tecnologia de fabricação CMOS (Complementary Metal-
Oxide-Semiconductor)*→ Fairchield Semiconductor→ Frank Wanlass
1965. Formalização do conceito de escalabilidade do CI em silício(Lei de Moore)→ Intel (Fundador)→ Gordon Moore
1968. Primeiro Chip CI CMOS convencional (Logic gates series 4000)→ Empresa RCA→ Grupo de Albert Medwin
1970’s. → Relógios digitais com tecnologia CMOS (economia de bateria)→ Desenvolvimento dos primeiros processadores
Revisão
Regressão Histórica1974. → Processador Intel 8080 de 8-bits
→ Calculadoras digitais→ Primeiros Kits para computadores pessoais
1981. Primeiro computador pessoal comercial (IBM-PC 5150)→ Processador Intel 8088 (29.000 transistores, 10 MHz, 3 µm)
Revisão
Lei de Moore
http://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law
286386
Pentium 4
Transistores com dimensões menores que 20 nm!
“O número de transistores dobraa cada 18-24 meses”
Revisão
Tecnologia CMOS – Visão Geral
Tecnologia planar. MOSFET. CMOS.
I. ConfiávelII. Baixo consumo de potênciaIII.Baixo custoIV.Escalonável
MOSFET (NMOS)- Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor
95% dos CIs atuais são fabricados com tecnologia CMOS
Revisão
Quantos MOSFETs existem em um processador atual?
(a) ~10.000.000(b) ~100.000.000(c) ~1.000.000.000(d) ~10.000.000.000
CMOS → VLSI – Very-Large Scale Integrated → 103 – 106 MOSFETs
CMOS → ULSI – Ulta-Large Scale Integrated → > 106 MOSFETs
Dispositivo mais fabricado na história da humanidade!
Tecnologia CMOS – Visão GeralRevisão
Tecnologia CMOS – Visão Geral
Par MOSFET Complementar. → Inversor. → Porta Nand. →
→ Circuitos digitais (Lógica Booleana) → Processadores Memórias Microcontroladores
Leiaute →
CMOS – Tecnologia dominante na fabricação de CIs
Revisão
Evolução do TransistorMetal/Óxido → Polisilício/Óxido. → (SOI) → Polisilício/Isolante. → Porta Tripla
Revisão
Projetando CMOS
*Parasitics – capacitância e indutância parasíticas; junções pn e seus problemas
Fluxograma de desenvolvimento de um CI – Projeto de Graduação – Elan Gonçalves Costa (2018)
Principais tipos de projeto de CIs:
• Digital → MOSFETs majoritariamente do tipo canal curto (short-channel)
• Analógico →MOSFETs majoritariamente do tipo canal longo (long-channel)
• Sinal misto → Casamento entre sinais digitais e analógicos (precisão)
• OPTO → Para optoeletrônica (Fotodiodos)
Projetando CMOS
Fabricação
• Circuitos integrados CMOs são fabricados em bolachas (wafers) de Si.
• Cada bolacha contém diversos Chips (die)
http://en.wikipedia.org/wiki/Wafer_%28electronics%29
O diâmetro mais comum de bolacha de Si é de 300 mm (12 in)
São adicionados aos wafers estruturas para testes e monitoramento de parâmetros de qualidade do processo
Ex. de bolachas de 2, 4, 6 e 8 in
Mosis.comMetal Oxide Semiconductor Implementation Service
Uma das primeiras empresas de fabricação de CI
• Bolachas multiprojetos de Si para dividir os custos de fabricação (modelo de máscaras compartilhadas)• Mosis recebe a bolacha processada depois da fabricação, corta e separa os chips (Dicing Machine). Os chips são empacotados e submetidos aos criadores do design.• Fornece regras para o projeto de fabricação e parâmetros de simulação para o SPICE
Exemplos de Processos de fabricação comerciais
• CMOS padrão (circuitos digitais)
• CMOS HV (alta tensão)
• CMOS SOI (Silicon on Insulator) →Para melhor isolamento e controle de canal
• SiGe-BiCMOS → Alta freq (RF, micro-ondas)
• CMOS-OPTO → Para optoeletrônica (Wafer especial-camda epitaxial) • SiGe:C → Sistemas Microeletromecânicos (MEMS)
Fabricação da bolacha de Si
https://www.youtube.com/watch?v=AMgQ1-HdElM
/home/fernando/Microeletronica/1_Silicon Wafer Production_Czochralski_Growth.mp4
Construindo um CI
https://www.youtube.com/watch?v=jh2z-g7GJxE
/home/fernando/Microeletronica/2_From sand to silicon_Construindo um CI.mp4