Aula 01

Microeletrônica
Germano Maioli Penello
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-1.html
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
Pergunta
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
Primeiro circuito feito pela UERJ
Menor logo da UERJ já feito?
Medido com um microscópio óptico
Medido com um SEM
CBPF
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
Fabricação
• Circuitos integrados CMOs são fabricados
em bolachas (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
Fazendo um 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
Etapas recorentes
Fotolitografia
Fabricação CMOS
Fabricação CMOS
Solda
Processador intel
http://imgur.com/a/ynPeX
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.
Importante - Elementos parasitas