Histórico dos dispositivos semicondutores

Universidade Federal do Paraná
Setor de Tecnologia
Departamento de Engenharia Elétrica
Evolução dos dispositivos
semicondutores
Prof. Marlio Bonfim
TE201 - Projeto de Circuitos Integrados Digitais
Abril de 2003
Década de 40
• 1945 - os laboratórios Bell estabeleceram
um grupo formado por William Shockley,
John Bardeen, Walter Brattain e outros para
desenvolver um substituto para as válvulas.
• 1947 - Invenção do 1º transistor de
germânio: Bardeen e Brattain obtiveram
sucesso ao criar um circuito amplificador
com um dispositivo de contato de ponto,
inicialmente chamado “transfer resistance”,
sendo chamado mais tarde de transistor.
• 1948 - Bardeen e Brattain patentearam a
invenção sob o título: "Three Electrode
Circuit Element Utilizing Semiconductive
Materials”. O transistor de contato de ponto
era difícil de produzir e foi substituído
posteriormente pelo transistor de junção.
Década de 50
•
1950 – Desenvolvido pela Texas um método para
produzir tarugos de germânio com junções crescidas,
abrindo o caminho para a fabricação do transistor de
junção.
•
1951 - Shockley desenvolveu o transistor de junção:
forma mais prática do transistor, tornando sua produção
em massa mais barata
•
1952 - O silício monocristalino é fabricado
•
1954 - Primeiro transistor comercial de silício: é lançado
em maio pela Texas instrumentos. Construídos a partir
de uma barra retangular de um cristal do silício, crescido
a partir do silício fundido dopado com impurezas. Os
transistores de silício eram mais baratos e operavam em
temperaturas superiores ao germânio.
•
1954 - Laboratórios Bell desenvolvem processos de
oxidação, fotogravação, difusão e corrosão, que são
usados na produção do CI até os dias atuais.
•
1956 - Bardeen, Brattain e Shockley ganham o prêmio
de Nobel de física pela invenção do transistor
Década de 50
• 1954 - O primeiro rádio a transistor Regency
Tr-1 é introduzido no mercado. Tinha um
circuito com quatro transistores de germânio.
• 1955 - Os laboratórios Bell fabricaram o
primeiro transistor de efeito de campo.
• 1958 - O circuito integrado é inventado por
Jack Kilby: elementos de circuito tais como os
resistores, capacitores e transistor foram
integrados em uma única pastilha.
O primeiro CI continha um oscilador
com cinco componentes integrados. O
inconveniente é que os elementos do
circuito foram conectados com fios de
ouro, tornando o circuito complexo e
difícil de escalonar.
Década de 50
• 1959 - Invenção da tecnologia planar:
uma fina camada isolante de dióxido do
silício é depositada sobre o semicondutor,
sendo abertos furos nas regiões de
contato com as junções. Uma segunda
camada condutora de metal é depositada
sobre o SiO2, sendo em seguida gravada
sob um padrão definido (máscara) para
interconectar os elementos de circuito. A
tecnologia planar abriu as portas para a
fabricação em massa de circuitos
integrados complexos e é o processo
usado até hoje.
Década de 60
• 1960 - Deposição epitaxial: laboratórios Bell desenvolveram a técnica
por meio da qual uma camada de material monocristalino é
depositada em uma substrato cristalino.
• 1960 - os laboratórios Bell fabricam o primeiro MOSFET.
• 1961 - Primeiros CIs comerciais: Fairchild e Texas instrumentos.
• 1962 - Inventada a Lógica TTL - a indústria do semicondutor
ultrapassa USUS$ 1 bilhão
• 1963 - Primeiros CIs comerciais MOS: RCA
• 1963 - O CMOS: Frank Wanlass da Fairchild publicou a idéia do
circuito MOS-complementar (CMOS). A potência estática dissipada
era 6 ordens de grandeza inferior à de um circuito TTL equivalente.
Hoje o CMOS é à base da grande maioria de CI’s de alta densidade.
• 1965 – Primeiros registradores de deslocamento: 100-bit com 600
transistores
Década de 60
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1965 - A lei de Moore: em 1965 Gordon Moore da Fairchild observou que o
número dos componentes por unidade de área de um CI dobrava a cada
ano Esta observação tornou-se conhecida como a lei de Moore, sendo o
período posteriormente corrigido para 18 meses. Esta lei continua válida
até hoje.
1966 – Primeira Memória bipolar estática: 16-bit, desenvolvida pela IBM
para a NASA.
1966 - Primeiras portas ECL (Emitter Coupled Logic): Motorola, maior
velocidade de operação.
1966 - Primeira Memória dinâmica DRAM: célula de memória baseada na
carga e descarga de um capacitor acionada por um único FET.
Virtualmente todas as DRAMs modernas são baseadas no mesmo
princípio.
1967 - Primeira Memória de porta flutuante (EPROM): desenvolvida nos
laboratórios Bell, é baseada em MOSFET com dupla porta, uma das quais
isolada.
1969 - Tecnologia BiCMOS: associa o baixo consumo do CMOS à alta
capacidade de corrente do bipolar.
Década de 70
• 1970 – 1ª DRAM comercial:1Kbits, processo PMOS com porta de
silício, 6 níveis de máscaras com dimensões mínimas de 8µm, chip
com 10mm2, US$21.
• 1971 – Inventada a UVEPROM: memória eletricamente
programável, podendo ser apagada com luz ultravioleta intensa.
• 1971 - Inventado o microprocessador: a Intel produziu
microprocessador de 4-bit 4004. Os 4004 eram um chipset
composto por uma ROM de 2kbit, uma RAM de 320bit e o
processador de 4bit, cada um com 16 pinos. O processador 4004
requereu aproximadamente 2.300 transistores, PMOS com porta de
silício, com dimensões mínimas de 10µm, freqüência de "clock" de
108KHz e tamanho da pastilha 13.5mm2.
• 1972 - Inventado o DSP: engenheiros da Westinghouse
patentearam o dispositivo sob o título "Programmable Digital Signal
Processor".
Década de 70
• 1972 - Teoria do escalonamento do MOSFET: permitiu a melhoria
das características dinâmicas do MOSFET, superando o bipolar que
dominava naquela época.
• 1972 – Lançamento do microprocessador Intel 8008: sucessor dos
4004, foi usado no Mark-8, um dos primeiros computadores
pessoais domésticos. Possuía 3.500 transistores, processo PMOS
com porta de silício e dimensões mínimas de 10µm, 1 camada de
polysilício e 1 camada de metal, freqüência de "clock" de 200kHz e
tamanho da pastilha de 15.2mm2.
• 1973 - Primeiros BiCMOS comerciais: amplificadores operacionais
de alto desempenho.
• 1973 - Técnica de impressão por projeção fotolitográfica: permitiu a
redução das dimensões mínimas e aumento do “yeld” de
fabricação.
• 1974 - DRAM de 4Kbit com célula de 1 Transistor: usava processo
NMOS com porta de silício, 6 máscaras, dimensões mínimas de
8µm, tamanho da pastilha de aproximadamente 15mm2 e vendido
por US$18.
Década de 70
• 1974 - Lançamento do microprocessador Intel 8080: sucessor dos
8008, processo NMOS com dimensões mínimas de 6µm com porta
de silício, 1 camada de polysilício e 1 camada de metal, 6.000
transistores, freqüência de "clock" de 2MHz e um tamanho da
pastilha de 20.0mm2.
• 1976 - DRAM de 16Kbit: possuía dupla camada de polysilício
permitindo uma disposição mais eficiente da pilha de memória.
• 1978 - Microprocessadores 8086/8088 da Intel: processo NMOS
com porta de silício, dimensões mínimas de 3µm, 1 camada do de
polysilício e 1 camada de metal, 29.000 transistores, freqüência de
"clock" de 10MHz e um tamanho da pastilha de 28.6mm2. Foram
selecionados pela IBM em 1980 para comporem o IBM PC.
• 1978 - A indústria do semicondutor ultrapassa US$10 bilhões
• 1979 - DRAM de 64Kbits.
Década de 80
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1980 - DSPs comerciais: lançados inicialmente pela Lucent e NEC.
1982 - Microprocessadores Intel 80286: sucessor do 8086, mantendo
compatibilidade de software. Processo CMOS com porta de silício,
dimensões mínimas de 1.5µm, 1 camada de polysilício e 2 camadas de
metal, 134.000 transistores, freqüência de "clock" de 12MHz e um tamanho
da pastilha de 68.7mm2.
1983 - DRAM de 1Mbit : 1ª DRAM em processo CMOS
1983 - EEPROM de 16Kbit: memória estática baseado na tecnologia
NMOS de porta flutuante, programável e apagável eletricamente, 2
transistores por célula.
1984 - Memória flash: baseada na EEPROM, com a vantagem de possuir
apenas 1 transistor por célula e apagamento rápido por blocos (o termo
flash vem desta característica). Lançada comercialmente em 1985 pela
Toshiba, 256Kbit.
1985 - Microprocessador Intel 80386DX: primeiro processador de 32 bits da
Intel. Processo CMOS com porta de silício,dimensão mínima de 1.5µm, 10
níveis de máscara, 1 camada de polysilício e 2 camadas de metal, 275.000
transistores, freqüência de "clock" de 33MHz e tamanho da pastilha de
104mm2.
Década de 80
• 1986 - Memória flash ETOX de 256Kbit: “EPROM
Tunnel Oxide”, permite operação em baixas tensões.
Tipo mais comum de memória flash atualmente.
• 1986 - DRAM de 1Mbit em tecnologia não planar: início
da tecnologia de células empilhadas ou tipo trincheiras,
resultando em aumento da densidade de
armazenamento.
• 1988 – DRAM de 4Mbit.
• 1989 - Intel 80486DX: primeiro processador de Intel
incluindo coprocessador de ponto flutuando executando
1 instrução por o ciclo de "clock". Processo CMOS com
porta de silício,largura mínima de 1.0µm, 12 níveis de
máscara,1 camada de polysilício e 3 camadas de metal,
1,2 milhão de transistores, freqüência de "clock" de
50MHz e um tamanho da pastilha de 163mm2.
Década de 90
• 1991 - DRAM de 16Mbit.
• 1993 - Intel Pentium: primeiro processador de Intel
capaz de executar mais de 1 instrução por ciclo de
"clock". Processo BiCMOS com porta de silício, largura
mínima de 0.8µm, 18 níveis de máscara, 1 camada de
polysilício, 3 camadas de metal, 3,1 milhão transistores,
freqüência de "clock" de 66MHz e um tamanho da
pastilha de 264mm2.
• 1994 - A indústria do semicondutor ultrapassa a casa
dos US$100 bilhões.
• 1994 - DRAM de 64Mbit: CMOS com 3 a 5 camadas do
polisilício, 2 a 3 camadas de metal e dimensões
mínimas de 0.35µm.
Década de 90
• 1995 - Intel Pentium Pro:
integra em um mesmo
encapsulamento o chip do
processador e a memória
cache, ambos operando à
mesma frequüência. Processo
BiCMOS com porta de silício,
largura mínima de 0.35µm, 20
níveis de máscara, 1 camada
de polysilício, 4 camadas de
metal, 5,5 milhões de
transistores, freqüência de
"clock" de 200MHz e um
tamanho da pastilha de
310mm2 (processador).
Década de 90
• 1997 - Intel Pentium II: Processo CMOS com porta de silício,
largura mínima de 0.35µm, 16 níveis de máscara,1 camada de
polysilício, 4 camadas de metal, 7,5 milhão transistores, freqüência
de "clock" de 300MHz e um tamanho da pastilha de 209mm2.
• 1998 - 256Mbit DRAM: introduziu o uso de dielectricos de elevada
permissividade, representando a quarta principal inovação das
DRAMs. CMOS com 4 a 5 camadas do polisilício, 2 a 3 camadas de
metal, dimensões mínimas de 0.25µm, pastilha de 204mm2.
• 1999 - Intel Pentium III: que de o Pentium III retornou a um pacote
mais padrão de PGA e integrou o esconderijo na microplaqueta.
Processo CMOS com porta de silício, largura mínima de 0.18µm, 21
níveis de máscara e teve 1 camada de polysilício e 6 camadas de
metal, o Pentium III tiveram 28 milhão transistores, freqüência de
"clock" de 733MHz e um tamanho da pastilha de 140mm2.
Anos 2000
• 2000 – Intel Pentium 4: introduziu uma unidade de processamento
inteiro que funciona duas vezes mais rápido que o processador.
Processo CMOS com porta de silício, largura mínima de 0.18µm, 21
níveis de máscara, 1 camada de polysilício e 6 camadas de metal,
42 milhões de transistores, freqüência de "clock" de 1,5GHz e um
tamanho da pastilha de 224mm2.
• 2001 – Intel Xeon: baseado na arquitetura NetBurst, 1.5V, 85W a
uma freqüência de "clock" de 3GHz
• 2002 – Intel Itanium: usa a tecnologia de instrução explicitamente
paralela (EPIC), possibilitando execução simultanea de instruções
múltiplas. 25 milhões de transistores na CPU, 300 milhões na
memória cache de 2MBytes, freqüência de "clock" de 1GHz.
Evolução dos microprocessadores
Densidade de transistores
Tamanho da pastilha
Dimensões minimas