Tema 1 : Introducció a la microelectrònica Conceptes preliminars

Tema 1 :

Introducció a la microelectrònica Conceptes preliminars

Sebastià Bota

Sistemes Microelectrònics Assignatura Optativa

Introducció

•Dispositiu original

–Transistor Bipolar – Germani N – 3 electrodes

– 2 contactes metall-semiconductor

• Vàlvules de buit (1906 Forest - triode)

– Radio, TV b/n, TV color, Computador ENIAC (1946)

• Efecte transistor

– 1947 Bardein, Brattain, Schokley – 1947 Schockty - transistor d’unió – 1951 Comercialització del transistor

1956 - Premi Nobel

• Dècada dels 50

– 1959 Noyce, Kilby (primer circuit integrat)

• Oscil·lador per desplaçament de fase (1 transistor+3 R + 1 C (2.3mm²))

– 1961 Fairchild i Texas comercialitzen xips comercials

2000 - Premi Nobel

Introducció

Introducció

• Decada dels 60: Transistors MOSFET

• En la seva fabricació apareixien dificultats tecnològiques

• L’us d’una capa de SiO₂va permetre solventar el problema

• 1960 M. M. Atalla i D. Khang fabriquen el primer MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

• MOS - bipolar

– Menys potència per controlar el mateix nivell de corrent – Menys àrea

– Permet fabricar circuits més complexos – Velocitat d’operació més lenta

Introducció

• Dècada dels 60

– 1963 Sylvania genera llista de circuits (portes lògiques) – 1963 Transistor MOSFET

– 1970 Intel4004 (microprocessador de 4 bits-2000 transistors)

• A partir dels 70: Forta evolució de la tecnologia microelectrònica

– Microprocessadors i Memòries – Llei de Moore 1964

• Cada 18 mesos es duplica el nombre de dispositius integrats en un xip

Introducció

• Avanços en la tecnologia de fabricació (escalat)

– MSI 20-100 portes/xip – LSI 100-100.000 portes/xip – VLSI >100.000 portes/xip – ULSI mil.lions de portes

• Avanços tecnologia de fabricació (noves tecnologies)

– MCM

– 3D Packages

– Digital, Analògic i Mixte

Per què VLSI?

• La Integration millora les prestacions d’un sistema

– Menys elements paràssits = més velocitat – Menys consum

– Més petit

• La Integració redueix els costos de fabricació

Introducció

Introducció

• Miniaturització progressiva

Introducció

• La fabricació de Computadors va ser un dels primers motors de la indústria electrònica

• Computador Mecànic (1832) vs. ENIAC (1946)

Introducció

• Evolució Tecnològica : Nombre transistors

Tecnolog

Tecnologiaia 1.51.5µµ 1.01.0µµ 0.8µ0.8µ 0.60.6µµ 0.350.35µµ 0.250.25µµ 0.18µ0.18µ 0.130.13µµ Intel386

Intel386™™DX DX Processor Processor Intel486 Intel486™™DX DX Processor Processor Pentium Pentium®® Processor Processor Pentium Pentium®®Pro Pro Processor Processor Pentium Pentium®® II II Processor Processor

Pentium Pentium®® 4 4 Processor Processor Pentium Pentium®® III III Processor Processor

Introducció

Introducció

5KW 18KW

1.5KW 500W

400480088080 8085

8086286386 486

Pentium® proc

0.1 1 10 100 1000 10000 100000

1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008 Any

Potència(Watts)

• Evolució tecnològica: Consum dels circuits

Introducció

Evolució en el mercat de memòries de semiconductor

• ROM programables (EPROM) i FLASH

– RAM tecnologia bipolar 1K (1971) – Tecnologia MOSFET 16K (1973) – 64K (1978)

– 256K (1982) – 1M (1986) – 1G (2000)

Introducció

• Les mides es redueixen un factor 0.7 en cada generació

• En cada generació es multipliquen x2 les funcions que incorpora un circuit

• El Cost per funció es redueix

• Però …

– Com es dissenyen aquests circuits amb més funcions ? – El nombre d’enginyers de disseny no es dobla cada 2 anys…

• Els mètodes de disseny han de ser més eficients...

– Cal explotar diferents nivells d’abstracció

Nivells d’abstracció

n+

n+

S

G D +

DISPOSITIU CIRCUIT PORTA MODUL

SISTEMA

Factors de Mèrit

• Com s’evaluen les prestacions d’un circuit digital (d’una porta, bloc, …)?

– Cost

– Velocitat (retard, freqüència d’operació) – Dissipació de potència

– Energia necessària per realitzar una funció – Fiabilitat

– Escalabilitat

Portes lògiques

• Esquema del circuit : Famílies Bipolars

– RTL, TTL, ECL

– Les primeres en apareixer (anys 60)

Baix Nivell d’integració

V_in

Vo ut Vcc

RB

R_C

Q₁

Vcc

R_C

Q₁

Vc c

R_C

Q₂ V_{re f} V_in

I_EE

V_EE Vx

Vc c Vcc

VEE

R_B V_{ou t2}

V_{ou t1}

Q₄

Q₃ VC 1 VC2

Portes lògiques

• Basades en transistorts MOSFET

VDD

Vin Vout

CL

nMOS CMOS BiCMOS

Conceptes preliminars

• GND = 0 V

• Dècada dels 1980’s, V

= 5V

• V

ha disminuït en els processos moderns

• V

= 3.3, 2.5, 1.8, 1.5, 1.2, 1.0, …

0 lògic : correspon al valor més baix de polarització 1 lògic : correspon al valor més alt de polarització

• 4 terminals: Porta (gate), Font (source), Drenador (drain), substrat (body)

• L’estructura Porta – òxid – substratactua com a capacitat

– porta i substrat són conductors – SiO₂(òxid) és un bon aïllant

– metal – oxide – semiconductor (MOS)

n+

p Gate

Source Drain

bulk Si

SiO2 Polysilicon

n+

Transistor nMOS

Portes CMOS

• Els transistors MOS actuen com a interruptors controlats per voltatge

• El Voltage a la porta controla el corrent entre font i drenador

g s d

g = 0

s d

g = 1

s d

g s d

s d

s d nMOS

pMOS

OFF ON

ON OFF

Inversor CMOS

1 0

Y

A V

A Y

GND

A Y

Inversor CMOS

0 1

0

Y

A V

A=1 Y=0

GND ON OFF

A Y

Inversor CMOS

0 1

1 0

Y

A V

A=0 Y=1

GND OFF ON

A Y

0 0.5 1 1.5 2 2.5 0

0.5 1 1.5

2 2.5

Inverter DC transfer characteristic

Slope = -1

Slope = -1

Vout (V)

V_in (V)

V_out=V_in

VDD

VSS

A Y

2.5µ/0.25µ

1µ/0.25µ

Inversor CMOS

Esquema

(nivell de transistor) V(y) V(x)

Corba de transferència de Voltatge

Inversor CMOS

• Característiques generals DC

– Corba de transferència de voltatge

V(x) V(y)

VOH

VOL

V_M

VOH VOL

f

V(y)=V(x)

Switching Threshold

Nominal Voltage Levels

“ 0 ” V

OL VIL VIH VOH

Regió no definida

“ 1 ”

• Marge de soroll

Noise margin high

Noise margin low

VIH

VIL

Undefined Region

"1"

"0"

VOH

VOL

NM_H

NM_L

Gate Output Gate Input

Mesura la capacitat D’eliminar l’efecte de Fonts de soroll

Inversor CMOS

R

=

R

= 0 Fanout =

NM

= NM

= V

/2

=

V_in V_out

Inversor CMOS

Característiques Ideals

0 2 4 6 8 10 12 -0.5

0 0.5

1 1.5

2 2.5

3

Time (ns) Inverter transient response

0 2 4 6 8 10 12

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

Time (ns)

Vout, Vin (V) V_out

V_in

I_D(nmos)

I_D(pmos) ID (mA)

C_L=250fF

C_L=250fF

Inversor CMOS

• Característiques dinàmiques

Portes CMOS

• Portes Complexes CMOS

– Xarxa Nmos

• productes = transistors en sèrie

• sumes = transistors en paral.lel

– Xarxa Pmos

• Complementària a la xarxa Nmos

– Inversor de sortida

• Per implementar funcions

lògiques no negades ^{V f}

V _DD

Pull-down network Pull-up network

V _x

1

V _x

n

(PUN)

(PDN)

• nMOS: 1 = ON

• pMOS: 0 = ON

• Series : tots en ON

• Parallel : almenys un en ON

(a) a

b

a

b g1

g2

0

0 a

b 0

1 a

b 1

0 a

b 1

1

OFF OFF OFF ON

(b) a

b

a

b g1

g2

0

0 a

b 0

1 a

b 1

0 a

b 1

1

ON OFF OFF OFF

(c) a

b

a

b

g1 g2 0 0

OFF ON ON ON

(d) ON ON ON OFF

a

b 0

a

b 1

a

b 1

1 0 1

a

b

0 0

a

b 0

a

b 1

a

b 1

1 0 1

a

b

g1 g2

Portes CMOS

Porta NAND

1 1 0 0 A

1 0 1 0

Y B

A B

Y

Porta NAND

1 1 0

A

1 0 1

1 0

Y B

A=0 B=0

Y=1 OFF

ON ON

OFF

Porta NAND

1 1

0 A

1 1

0 1

1 0

Y B

A=0 B=1

Y=1 OFF OFF ON

ON

Porta NAND

1

0 0 A

1 1

1 0

1

1 0

Y B

A=1 B=0

Y=1 ON ON OFF

OFF

Porta NAND

1

1 0 0 A

1 1

1 0

0 1

1 0

Y B

A=1 B=1

Y=0 ON OFF OFF

ON

1 1 0 0 A

0 1

0 0

0 1

1 0

Y B

A B

Y

Porta NOR

Portes lògiques

• Fanout i Fanin

N

Fan-out N Fan-in M

M

• FAN-IN : Número d’entrades

• Exemples per la funció AND

• n = 2: Y = A • B

• n = 3: Y = A • B • C

• n = 4: Y = A • B • C • D

Portes lògiques

Porta NAND de 3 entrades

• Y val 0 si TOTES les entrades estan a 1

• Y val 1 si alguna entrada està a 0

A B

Y

C

• Una porta composta pot implementar qualsevol funció negada

• Ex:

A B

C D

A B

C D

A B C D

A B

C D

B D

Y A

C

A C A B

C D

B D

Y (a)

(c)

(e)

(b)

(d)

(f)

Portes Compostes

−

−

−

• +

•

=

Portes compostes

• Comparació

– 12 vs 24 transistors (50%)

• Menys àrea, menys consum

– Camí amb menor nombre de transistors a commutar

• Més ràpida

A

B D

C E

A B

C D

E

F F=(A·B+C·D)·E

A B C D

E F