Microeletrônica

Microeletrônica
Germano Maioli Penello
Contato
Site (em andamento)
• www.lee.eng.uerj.br/~germano
– Ainda não finalizei o site do curso. Assim que eu
terminar, adicionarei links para os cursos deste
período
[email protected]
MicroeletronicaUerj2015
Pauta
ÁQUILA ROSA FIGUEIREDO
201110256011
ALLAN DANILO DE LIMA
201110063911
DAVID XIMENES FURTADO
200810343411
HUGO LEONARDO RIOS DE ALMEIDA
201210076411
JEFERSON DA SILVA PESSOA
201010067611
LAIS DA PAIXAO PINTO
200710030011
LEONARDO SOARES FARIA
200820515511
PEDRO DA COSTA DI MARCO
201020582111
VINICIUS DE OLIVEIRA ALVES DA SILVA
201110066811
Isadora
Visão geral do curso
Níveis de abstração
• 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
CMOS – semicondutor metal óxido
complementar
• Tecnologia dominante para a fabricação de CIs
• Tecnologia confiável, manufaturável, de baixo
consumo, baixo custo e escalonável
– Lei de Moore: número de transistores em um chip dobra
aprox. a cada 2 anos
– Comprimento de porta de transistores atingindo a
dimensão de poucos nanometros
Lei de Moore
Transistores com dimensões
menores que 20 nm!
Pentium 4
386
286
http://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law
Lei de Moore
Transistores com dimensões
menores que 20 nm!
Pentium 4
386
286
http://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law
http://cvseventh.com/111569/images-bacteria-viruses/
Introdução ao projeto de circuitos
integrados CMOS
• VLSI – Escala de integração muito alta (~106
MOSFETs)
• ULSI – Escala de integração ultra alta (~109
MOSFETs)
http://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit
http://en.wikipedia.org/wiki/Very-large-scale_integration
Projetando CMOS
Especificação do circuito
(entradas e saídas)
Cálculos e esquemático
Produção
Problema
espec.
Simulação do circuito
Circuito dentro
das especificações?
Circuito dentro
das especificações?
Testes e avaliações
Leiaute
Fabricação do protótipo
Simulação com parasitics*
Circuito dentro
das especificações?
*Parasitics – capacitância e indutância parasíticas; junções pn e seus problemas
Problema
fabricação.
Fabricação
• Circuitos integrados CMOs são fabricados
em bloachas (wafers) de Si.
• Cada bolacha contém diversos Chips (die)
O diâmetro mais comum de
bolacha de Si é de 300 mm (12 in)
Ex. de bolachas de 2, 4, 6 e 8 in
http://en.wikipedia.org/wiki/Wafer_%28electronics%29
Fabricação da bolacha de Si
https://www.youtube.com/watch?v=AMgQ1-HdElM
Construindo um CI
https://www.youtube.com/watch?v=jh2z-g7GJxE
Fabricação de chips
https://www.youtube.com/watch?v=Q5paWn7bFg4
Processamento – diodo
http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
MOSFET
Short channel e long channel
http://jas.eng.buffalo.edu/education/mos/mosfet/mosfet.html
http://educypedia.karadimov.info/electronics/javaanalogsemi.htm
MOSFET fabricação
http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/NMOS/nmos.html
CMOS - histórico
• Inventado por Frank Wanlass em 1963 na
Fairchild Semiconductor
– Circuitos podem ser feitos de dispositivos MOS complementares NMOS (MOSFET de canal n) e PMOS (MOSFETs de canal p)
• Acrônimos:
– Atualmente, material de porta não é mais metálico, mas sim polisilício
(CPOS)
– MOSFET não é rigorosamente correto!
– Transistores de efeito de campo isolados (IFET), Transistores de efeito
de campo de porta isolada (IGFET) são termos mais corretos.
– Continuaremos ao longo do curso usando MOSFET e CMOS, por eles
serem termos comuns para indicar os dispositivos, os projetos, e a
tecnologia que usa dispositivos de efeito de campo complementares.
CMOS - histórico
• Primeiro circuito CMOS foi fabricado em 1968
• Década de 1970 – uso em relógio de pulso por
causa do baixo consumo e início do
desenvolvimento de processadores
• Década de 1980 – computadores pessoais
(100.000 transistores)
• Década de 1990 – ~1.000.000 transistores
• Década de 2000 - ~100.000.000 transistores
• Década de 2010 - ~2.500.000.000 transistores
• Um dos dispositivos que mais foi fabricado na
história da humanidade!
CMOS - Presente
•
•
•
•
•
95% dos CIs são de tecnologia CMOS
Fabricados em área pequena
Baixo consumo
Alta frequência
Manufaturabilidade (baixíssimos defeitos
de fabricação)
• Baixo custo
• Escalonamento
SPICE
Simulation program with an integrated circuit enphasis
Simulador open source (licença BDS*) de circuitos analógicos desenvolvido na
Universdade da Califórnia, Berkeley
Usado em projetos de circuitos integrados e também de dispositivos
discretos para prever o funcionamento do circuito
Projeto de CI
-Não é possível usar um breadboard
-Alto custo de etapas fotolitográficas e outras etapas de manufatura
-SPICE é importante para diminuir os custos de processamento.
Verifica-se o funcionamento do circuito antes da sua fabricação.
*http://pt.wikipedia.org/wiki/Licen%C3%A7a_BSD
SPICE
- breadboards são usados antes da fabricação da placa em circuitos de
componentes discretos. Ainda assim, resistências e capacitâncias parasíticas só são
observadas na placa impressa final.
- SPICE simula esses efeitos parasíticos em circuitos integrados e ainda pode
simular variações das propriedades dos componentes devido à manufatura,
analisando a performance do circuito independente da complexidade.
- SPICE analisa os componentes do circuito e suas conexões e resolve as equações
que governam o circuito (geralmente equações diferenciais não lineares).
- Padrão mundial na simulação de circuitos integrados
SPICE
SPICE analisa:
• AC (sinais pequenos no domínio de frequência)
• DC (cálculo do ponto quiescente)
• Ruído
• Função de transferência (impedâncias, ganho)
• Transiente
•…
Modelos de dispositivos:
• Resistores
• Capacitores
• Indutores
• Fontes de corrente e tensão
• linhas de transmissão
• MOSFETs
• BJTs
• JFETs
• Diodos de junção
•…
SPICE3 inclui modelos de MOSFETs recentes (BSIM).
BSIM
Berkeley short-channel IGFET model
A medida que os MOSFETs foram ficando cada vez menores a cada nova
geração, novos modelos computacionais eram necessários para reproduzir o
comportamento dos transistores com acurácia.
O compact model coalition (CMC) foi criado para definir, manter e promover um
padrão para os novos modelos poderem ser usados em simuladores diferentes. O
BSIM, criado em Berkeley, é um desses modelos (BSIM3, BSIM4, BSIM6,…)
http://www-device.eecs.berkeley.edu/bsim/?page=BSIM3
Mosis.com
Metal 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. 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 dispositivos
Resistores
Exemplos de dispositivos
Capacitores
Exemplos de dispositivos
MOSFET
Dispositivos
• Indutores? Alguma idéia de como fazer
um?
Etapas recorentes
Fotolitografia
Fabricação CMOS
Fabricação CMOS
Solda
Importante - Elementos parasitas
Info. extras
http://www.intel.com/content/www/us/en/research/inteltechnology-journal/2008-volume-12-issue-02-intel-technologyjournal.html?wapkw=cmos