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Microeletrônica
Prof. Fernando Massa FernandesSala 5017 E
https://www.fermassa.com/Microeletronica.php
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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
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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 por imprevisto grave e com justificativa formal.
Introdução – Programa
MP=P1+P 22
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)
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.
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)
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
Visão geral Níveis de Abstração
Pastilha (die)
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
Visão geral
O transistor é um dispositivo que controla a corrente elétrica entre dois terminais (S e D) a partir de um terceiro terminal de controle (G).
Metal 1 →
Metal 3 →
Metal 5 →Visão Geral das Camadas(Exemplo)
Metal 2 →
Metal 4 →
Visão geralCorte de um chip CMOS
Várias camadas de diferentes materiais são depositadas em sequência em padrões geométricos e empilhadas precisamente para formar um circuito integrado.
Dispositivos ativos (MOSFETs)
Visão geral
Ex.: MOSFET – Fabricado em tecnologia CMOS de 130 nm
* Tecnologia do início dos anos 2000.
*Fabricação em tecnologia CMOS padrão
CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
* Tecnologia de metal-óxido e semicondutor complementar
→ Fabricação de NMOS e PMOS alternando diferentes camadas de materiais na mesma superfície.
Visão Geral - Tecnologia CMOS -
Par Complementar
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
Visão Geral - Tecnologia CMOS
Tecnologia planar. MOSFET. CMOS.
I. ConfiávelII. Baixo consumo de potênciaIII.Baixo custoIV.Escalonável
MOSFET (NMOS)- Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor
CMOS - (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)
→ Tecnologia Metal-Oxido Semicondutor Complementar (95% dos CIs atuais)
Evolução do TransistorMetal/Óxido → Polisilício/Óxido. → (SOI) → Polisilício/Isolante. → Porta Tripla
FinFET (Triple Gate)
Wikipedia
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/
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
Regressão Histórica1958. Primeiro protótipo de um CI usando componentes discretos*
→ Oscilador de deslocamento de fase - 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”
Regressão Histórica1958. Primeiro protótipo de um CI usando componentes discretos*
→ Oscilador de 1 transistor (Patente de Johnson)→ Texas Instruments→ Jack Kilby (nobel 2000) + contribuições
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
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
“O número de transistores dobraa cada 18-24 meses”
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
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
Hamilton Pulsar P1 Limited Edition (1972)
~US$ 12.000,00 atuais
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, canal de 3 µm)
http://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law
286386
Pentium 4
“O número de transistores dobraa cada 18-24 meses”
Evolução da Microeletrônica - SMARTPHONES
Quantos transistores existem em um SMARTPHONE?
Ex. Samsung Galaxy S8
→ Lançamento em 2017, mais de 20 milhões de unidades vendidas.→ SoC (System-on-chip) Exynos Serie 9 (8895) → Primeiro SoC fabricado em processo FinFET de 10 nm
Evolução da Microeletrônica - SMARTPHONES
Quantos transistores existem em um SMARTPHONE?
Ex. Samsung Galaxy S8 → SoC - Tecnologia FinFET 10nm
Processador→ Qualcomm Snapdragon 835 => ~ 3.000.000.000
GPU → Adreno 540 => ~2.000.000.000
Memoria → 6 GB LPDDR 4x RAM => ~56.000.000.000
Armazenamento →128GB (Portas NAND) => ~400.000.000.000
Periféricos => ~1.000.000.000
Total aproximado de ~ 462.000.000.000 de Transistores FinFET de 10 nm
https://www.quora.com/How-many-transistors-are-there-in-the-average-smartphone
Evolução da Microeletrônica - SMARTPHONES
Quantos transistores existem em um SMARTPHONE?
Ex. Samsung Galaxy S8 → SoC - Tecnologia FinFET 10nm
Total aproximado de ~ 462.000.000.000 de Transistores FinFET de 10 nm
https://www.quora.com/How-many-transistors-are-there-in-the-average-smartphone
Dispositivo mais fabricado na história da humanidade!
X 15.900.000 = Samsung Galaxy S8
Evolução da Microeletrônica - SMARTPHONES
1981
2017
(IBM-PC 5150)
