• No se han encontrado resultados

Tema 1 : Introducció a la microelectrònica Conceptes preliminars

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Tema 1 : Introducció a la microelectrònica Conceptes preliminars"

Copied!
21
0
0

Texto completo

(1)

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

(2)

• 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

(3)

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)

– SSI 10-20 portes/xip

– 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)

– CMOS, BiCMOS, SOS (SOI)

– MCM

– 3D Packages

– Digital, Analògic i Mixte

(4)

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

(5)

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

(6)

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

(7)

Introducció

Evolució en el mercat de memòries de semiconductor

– ROM (1967)

• 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

(8)

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

(9)

Portes lògiques

• Esquema del circuit : Famílies Bipolars

– RTL, TTL, ECL

– Les primeres en apareixer (anys 60)

Baix Nivell d’integració

Vin

Vo ut Vcc

RB

RC

Q1

Vcc

RC

Q1

Vc c

RC

Q2 Vre f Vin

IEE

VEE Vx

Vc c Vcc

VEE

RB Vou t2

Vou t1

Q4

Q3 VC 1 VC2

Portes lògiques

• Basades en transistorts MOSFET

VDD

Vin Vout

CL

nMOS CMOS BiCMOS

(10)

Conceptes preliminars

• GND = 0 V

• Dècada dels 1980’s, V

DD

= 5V

• V

DD

ha disminuït en els processos moderns

– VDD massa elevat pot fer malbé als transistors – VDD baix estalvia consum

• V

DD

= 3.3, 2.5, 1.8, 1.5, 1.2, 1.0, …

0.35 0.25 0.18 0.13 0.10

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

(11)

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

DD

A Y

GND

A Y

(12)

Inversor CMOS

0 1

0

Y

A V

DD

A=1 Y=0

GND ON OFF

A Y

Inversor CMOS

0 1

1 0

Y

A V

DD

A=0 Y=1

GND OFF ON

A Y

(13)

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)

Vin (V)

Vout=Vin

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

VM

VOH VOL

f

V(y)=V(x)

Switching Threshold

Nominal Voltage Levels

“ 0 ” V

OL VIL VIH VOH

Regió no definida

“ 1 ”

(14)

• Marge de soroll

Noise margin high

Noise margin low

VIH

VIL

Undefined Region

"1"

"0"

VOH

VOL

NMH

NML

Gate Output Gate Input

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

Inversor CMOS

R

i

=

R

o

= 0 Fanout =

NM

H

= NM

L

= V

DD

/2

g

=

Vin Vout

Inversor CMOS

Característiques Ideals

(15)

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) Vout

Vin

ID(nmos)

ID(pmos) ID (mA)

CL=250fF

CL=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)

(16)

• 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

(17)

Porta NAND

1 1 0

0

A

1 0 1

1 0

Y B

A=0 B=0

Y=1 OFF

ON ON

OFF

Porta NAND

1 1

0

0 A

1 1

0 1

1 0

Y B

A=0 B=1

Y=1 OFF OFF ON

ON

(18)

Porta NAND

1

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

(19)

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

(20)

• 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

(21)

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

Referencias

Documento similar

Quanta més velocitat tenen les partícules que formen un cos, més temperatura, més energia tèrmica i més energia interna tendrà.. EQUIVALENT MECÀNIC DE

A la planta de dalt, on abans hi havia un saló d’actes, s’hi ha habilitat ara un espai com a sala per als més majors, la qual permet també la lectura en sala, ofereix un servei

24/5/2016 Proposta de resolució del Parlament de Catalunya sobre la creació d’un pacte nacional per a la indústria.. 13/7/2016 Resolució 251/XI del Parlament de Catalunya, sobre

A més a més, seguidament es mostra una aproximació dels conceptes teòrics bàsics relacionats amb els elements que conformen el llenguatge cinematogràfic de la imatge i, de

El model utilitzat permet la detecció de més d’una classe alhora, encara que sigui innecessari en el present projecte, ja que només es mourà una peça cap al sistema de visió per

En un congrés, convé disposar d’un pla o full de ruta per tal de garantir la igualtat d’accés de totes les persones, tant ponents com participants.. Comunicació : Tant si el

Però probablement el moment més arriscat pel futur de les universitats va ser el retard en la introducció dels coneixements tècnics, acumulats i desenvolupats per artesans, en

Per aquest motiu, l’àlbum Migrants és una eina que representa fidelment la situació dels refugiats i que pot permetre als xiquets i xiquetes saber més d’aquest tema.. A més a