Aula 01
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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
