Materiały do wykładu "Podstawy układów mikroelektronicznych" dla kierunku Technologie Kosmiczne i Satelitarne Część 1. Technologia. dr hab. inż. Waldemar Jendernalik Katedra Systemów Mikroelektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska Budynek WETI pokój 309, waldi@eti.pg.edu.pl 1
Część 1. Technologia: wprowadzenie. Co to jest Układ Mikroelekroniczny, Microelectronic Circuit? Zminiaturyzowany układ elektroniczny? Układ złożony z wielu elementów elektronicznych? Układ o rozmiarach fizycznych rzędu mikronów? Układ elektroniczny wykonany w formie układu scalonego integrated circuit IC, potocznie micro chip? 2
Część 1. Technologia: wprowadzenie. Przykład układu nie-mikroelektronicznego. Przykład układu mikroelektronicznego - układ scalony ( micro chip ). 3
Część 1. Technologia: wprowadzenie. Problem Współczesne mikroprocesory zawierają około 100 milionów tranzystorów w chipie o rozmiarach około 3 cm x 3 cm. (Grubość chipa wynosi kilkaset mikrometrów.) Załóżmy, że układy scalone nie zostały wynalezione, a my chcemy zbudować procesor używając 100 milionów dyskretnych tranzystorów. Jeśli każdy tranzystor zajmuje objętość 3 mm x 3 mm x 3 mm, to jaka będzie objętość procesora? Jakie jeszcze problemy pojawią się przy takiej implementacji? Rozmiar =... Waga =... Cena =... 4
Część 1. Technologia: historia. Technologia (proces) wytwarzania układów scalonych IC fabrication technology (process) Dwie główne technologie: bipolarna i CMOS. Obecnie ponad 90% układów mikroelektronicznych na świecie jest produkowanych w krzemowych technologiach CMOS silicon CMOS technologies. Współczesna technologia jest wynikiem dziesiątek lat badań naukowych i rozwojowych, prowadzonych przez tysiące naukowców, inżynierów i techników. 5
Część 1. Technologia: historia. Historia Pierwszy tranzystor (bipolarny), AT&T Bell Lab, 1947 Pierwszy IC (bipolarny), Texas Instrumenst (TI), 1958 Pierwszy komercyjny IC (bipolarny), Fairchild Semiconductor, 1961 6
Część 1. Technologia: historia. Historia Wynalazek tranzystora polowego MOS, 1933 Pierwszy tranzystor (bipolarny), AT&T Bell Lab, 1947 Pierwszy IC (bipolarny), Texas Instrumenst, 1958 Pierwszy komercyjny IC( bipolarny), Fairchild, 1961 Pierwszy IC IC w w technologii MOS, firma firma RCA, RCA, 1968 1968 Pierwszy CPU, technologia MOS, firma Intel, 1971 7
Część 1. Technologia: historia. Wynalazek tranzystora MOS, J.E. Lilienfeld, 1933 J. E. Lilienfeld uzyskał w 1933 r. patent na wynalazek - przyrząd do regulacji prądu elektrycznego wykorzystujący znany efekt polowy. Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963), urodzony we Lwowie. Nazwa MOS skrót od ang. Metal Oxide Semiconductor. Pełna nazwa MOS FET, od ang. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. 8
Część 1. Technologia: historia. Współczesny tranzystor MOS FET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Obecnie bramki tranzystorów MOS nie wytwarza się z metalu, ale z polikrystalicznego krzemu polysilicon. Nazwę MOS stosuję się nadal. Poly silicon 9
Część 1. Technologia: historia. Pierwszy tranzystor bipolarny, Bell Lab 1947 John Bardeen i Walter Brattain pokazują przyrząd germanowy. Naukowcy zauważają, że kiedy sygnał przechodzi przez złącze germanowe, wtedy moc wyjściowa jest większa od wejściowej. Wyniki badań publikują w 1948 r. William Shockley odkrył zasadę działania tranzystora bipolarnego i opublikował to w 1949 r. Trzej naukowcy otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1956 r. William Shockley opuścił laboratorium Bella w 1956 i założył własne w San Francisco Bay w Kaliforni. Obecnie znane jako Dolina Krzemowa. 10
Część 1. Technologia: historia. Pierwszy układ scalony (IC), Jack Kilby, Texas Instruments, 1958 Jack Kilby demonstruje w 1958 r. działający układ scalony wykonany w germanie i zawierający: jeden tranzystor bipolarny jeden kondensator trzy rezystory J.S. Kilby, IEEE Trans. Electron Dev., v.23, s.648, 1976 11
Część 1. Technologia: historia. Pierwszy komercyjny IC, Robert Noyce, Fairchild Semiconductor, 1961 Fairchild Semiconductor produkuje pierwszy komercyjny układ scalony w 1961 r. Układ jest wykonany w krzemie, składa się z 4 tranzystorów bipolarnych i kosztuje 150 dolarów. Głównym klientem była NASA. W 1968, Robert Noyce założył Intel Corp. wraz z Andrew Groove i Gordonem Moore. A Solid State of Progress, Fairchild Camera and Instrument Corporation, 1979, G.E.Moore, Proc. IEEE, v.86, s.53-62, 1998 12
Część 1. Technologia: historia. Pierwszy mikroprocesor CPU, firma Intel, 1971 Intel wprowadza w 1971 r. na rynek układ scalony o nazwie 4004, zawierający 4 bitowy CPU. Układ wyprodukowano w technologii MOS, w której bramki tranzystorów wykonano z krzemu. Obecnie bramki tranzystorów MOS nie wytwarza się z metalu, ale z polikrystalicznego krzemu poly-silicon. Nazwę MOS stosuję się nadal. 13
Część 1. Technologia: historia. Postęp "upakowania" (integracji) na przykładzie mikroprocesorów Wszystkie układy są polowe Źródło: Wikipedia. 14
Skala integracji Część 1. Technologia: historia. Poziom integracji Small Scale Integration Medium Scale Integration Large Scale Integration Very Large Scale Integration Ultra Large Scale Integration Super Large Scale Integration Skrót SSI MSI LSI VLSI ULSI SLSI Liczba tranzystorów w chipie 2 do 50 50 do 5000 5000 do 100 000 100 000 do 10 000 000 10 000 000 do 1 000 000 000 Ponad 1 000 000 000 15
Część 1. Technologia: cena. Koncepcja Layout Schemat elektryczny ~ 1 rok ~ 1 rok 2-3 miesiące Pomiary Single die (single chip) Produkcja wafli krzemowych (8-, 12-calowe itp.) 16
Część 1. Technologia: cena. Typowy projekt 5-20 mm 2 Koszt prototypu...? Technologia CMOS: 350 nm ~600 euro / mm 2 180 nm ~1000 euro / mm 2 65 nm ~2500 euro / mm 2 40 nm ~4500 euro / mm 2 28 nm ~10000 euro / mm 2 22 nm ~14000 euro / mm 2 Wafel krzemowy silicon wafer 8-calowy Średnica 200 mm, ok. 30 000 mm 2 Fabryka daje 20-40 "sampli" (dies) Technologia 180 nm: 30 000 mm 2 * 1000 euro/mm 2 / 30 sampli = 1 mln euro za wafel Technologia 22 nm: 14 mln euro za wafel 17
Część 1. Technologia: półprzewodniki. Współczesny układ scalony (IC), technologia CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor Układ mikroelektroniczny jest zbudowany z trzech typów materiałów: przewodników, półprzewodników, izolatorów. 18
Część 1. Technologia: półprzewodniki. Przewodnik Temperatura 0 K Półprzewodnik samoistny Temperatura > 0 K Izolator Temperatura > 0 K elektron swobodny elektron swobodny 19
Część 1. Technologia: półprzewodniki. Przewodnik Temperatura 0 K Półprzewodnik samoistny Temperatura > 0 K Izolator Temperatura > 0 K elektron swobodny elektron swobodny 1eV 1.6 10-19 J, 1J 6.2 10 +18 ev 20
Część 1. Technologia: półprzewodniki. Atom krzemu 4- wartościowego. Kryształ krzemu jest półprzewodnikiem. W samoistnym (czystym) krysztale Si jest niewiele elektronów swobodnych. Dlatego w temperaturze pokojowej jest on praktycznie izolatorem. A gdyby zanieczyścić materiał? 21
Część 1. Technologia: półprzewodniki. Domieszka donorowa obce atomy o większej wartościowości. Liczba elektronów swobodnych jest równa liczbie atomów domieszki. Powstaje półprzewodnik typu n (negative). 22
Część 1. Technologia : półprzewodniki. Domieszka akceptorowa obce atomy o mniejszej wartościowości. Liczba dziur swobodnych jest równa liczbie atomów domieszki. Powstaje półprzewodnik typu p (positive). 23
Podsumowanie Część 1. Technologia : półprzewodniki. Przerwa energetyczna Nośniki prądu Zależność oporu od temperatury Przewodniki, metale 0 ev elektrony Rośnie wraz ze wzrostem temperatury Półprzewodniki 0.1 ev 3 ev elektrony i dziury Dla półprz. samoistn. maleje wraz z temperaturą. Dla półprz. modyfikowanych wzrost lub spadek. 24
Część 1. Technologia: złącze pn. Przewodnik przewodnictwo tylko elektronowe. Półprzewodnik typu n przewodnicwo głównie elektronowe. Półprzewodnik typu p przewodnicwo głównie dziurowe. 25
Część 1. Technologia: złącze pn. Złącze pn Kierunek zaporowy. Niewielki prąd słabo zależny od napięcia. Kierunek przewodzenia. Prąd znacznie większy i zależny silnie od napięcia. 26
Część 1. Technologia: złącze pn. Złącze pn. Dioda. Symbol zastępczy i nazwy końcówek. Zależność prądu od napięcia: I D V D = I 1 S exp VT I S prąd nasycenia < 10-9 ampera w zastosowaniach mikroelektr. V T potencjał elektrotermiczny V T = kt/q 26 mv dla T = 300 K 27
Część 1. Technologia: złącze pn. Przykład Prąd nasycenia I S = 10-15 A, temperatura T = 300 K. Obliczyć prąd diody dla poszczególnych napięć: V D = -0.9 V to I D = I S (e -0.9/0.026 1) = -10-15 A V D = -0.6 V to I D = I S (e -0.6/0.026 1) = -10-15 A V D = 0 V to I D = I S (e 0/0.026 1) = 0 A V D = 0.6 V to I D = I S (e 0.6/0.026 1) = 10-5 A V D = 0.9 V to I D = I S (e 0.9/0.026 1) = 1 A 28
Część 1. Technologia: złącze pn. Charakterystyka I-V złącza pn I D V D = I exp 1 S VT Prąd I S jest proporcjonalny do pola przekroju złącza. 29
Część 1. Technologia: złącze pn. Charakterystyka I-V złącza pn I S ~ A Równoważność A pole przekroju złącza. A jest rzędu µm 2 w układach scalonych i rzędu mm 2, cm 2 w innych zastosowaniach. 30
Część 1. Technologia: złącze pn. Złącze pn (dioda) w formie elementu dyskretnego 31
Część 1. Technologia: złącze pn. Złącze pn (dioda) zaimplementowe w układzie scalonym Najprostsza realizacja 32
Część 1. Technologia: złącze pn. Złącze pn (dioda) zaimplementowe w układzie scalonym Większa liczba kontaktów obniża rezystancję doprowadzeń 33
Podsumowanie Część 1. Technologia: złącze pn. Przewodnik przewodzi prąd w obu kierunkach. Półprzewodnik n przewodzi prąd w obu kierunkach. Półprzewodnik p przewodzi prąd w obu kierunkach. Struktura pn faforyzuje jeden kierunek. 34
Część 1. Technologia: tranzystor MOS. Dwa złącza pn na wspólnym podłożu. prąd I S Niezależnie od kierunku napięcia, prąd wynosi I S. Powód: zawsze któreś złącze jest spolaryzowane zaporowo. 35
Część 1. Technologia: tranzystor MOS. Dwa złącza pn na wspólnym podłożu. Niezależnie od kierunku napięcia, prąd płynący między katodami wynosi I S. Powód: zawsze któraś dioda jest spolaryzowana zaporowo. 36
Część 1. Technologia: tranzystor MOS. Dwa złącza pn na wspólnym podłożu. Katoda 1 Katoda 2 Prąd? Złącza polaryzowane napięciami V 1 i V 2. Jaki prąd przepływa między katodami przez podłoże? 37
Część 1. Technologia: tranzystor MOS. Dwa złącza pn na wspólnym podłożu. W tej sieci elektrycznej nie ma gałęzi prądowej między katodami. (Oczywiście przy założeniu, że podłoże jest jednorodne i ma rezystywność zerową.) 38
Część 1. Technologia: tranzystor MOS. Dwa złącza pn na wspólnym podłożu. W tej sieci elektrycznej nie ma gałęzi prądowej między katodami. (Oczywiście przy założeniu, że podłoże jest jednorodne i ma rezystywność zerową.) A gdyby wprowadzić pewną przewodność? 39
Część 1. Technologia: tranzystor MOS. Dwa złącza pn na wspólnym podłożu.???? 1. Jak wytworzyć przewodność (kanał przewodzący) między katodami? 2. Jeśli uda się wytworzyć, to jak modyfikować ją w łatwy sposób? 40
Część 1. Technologia: tranzystor MOS. Kondensator z okładziną półprzewodnikową. Przyciągnięty ładunek Q = C V G Efekt polowy. Inwersja półprzewodnika p w półprzewodnik n. 41
Część 1. Technologia: tranzystor nmos. Tranzystor MOS FET z kanałem n. Wprowadźmy nowe oznaczenia : źródło (source) dla końcówki z której prąd wypływa, dren (drain) dla końcówki do której prąd wpływa, body dla końcówki podłoża, bramka (gate) dla okładziny nad izolatorem 42
Część 1. Technologia: tranzystor nmos. 43
Część 1. Technologia: tranzystor nmos. Tranzystor MOS FET z kanałem n. Parametry fizyczne typowego współczesnego tranzystora: grubość izolatora bramkowego t OX = 18 10-10 m długość kanału L = 90 nm, szerokość kanału W = 180 nm maksymalne napięcie ~1-3 V 44
Problem Część 1. Technologia: tranzystor nmos. t OX ~1 nm V GB ~1 V to natężenie pola 1 000 000 000 V/m. t OX ~1 mm Przy wymaganym natężeniu pola 10 9 V/m, V GB musiałoby wynosić ~? V. 45
Część 1. Technologia: tranzystor nmos. Tranzystor MOS FET z kanałem n. Doprowadzenia metalowe Potencjały elektryczne są doprowadzane do obszarów n + i do okładziny bramkowej za pomocą metalu. Potencjał elektryczny jest doprowadzany do podłoża metalem i dodatkową dyfuzją p +. Symbol zastępczy zawiera 4 końcówki: D, G, S, B. 46
Część 1. Technologia: tranzystor nmos. Tranzystor MOS FET z kanałem n. Zakresy pracy ze względu na stopień inwersji kanału: odcięcie cut-off - brak kanału - prąd I DS rzędu fa, pa V GB = 0 oraz V GB < 0 słaba i umiarkowana inwersja weak & moderate inversion - prąd I DS typowo 1 na - 1 µa silna inwersja strong inversion - prąd I DS typowo > 10 µa 0 < V GB < V threshold V threshold < V GB V supply 47
Część 1. Technologia: tranzystor nmos. Charakterystyka I-V tranzystora (zależność prądu w kanale od napięcia sterującego) cut-off - prąd upływu I OFF malejący weak inversion - ch-ka jest esponencjalna I DS ~ exp(v GB ) moderate inversion strong inversion - ch-ka jest zbliżona do kwadratowej I DS ~ (V GB ) n 1.5 < n < 2 48
Część 1. Technologia: tranzystor nmos. Rozważania na poprzednim slajdzie są znacznym uproszczeniem, gdyż: ograniczają się tylko do zakresu tzw. nasycenia (saturation region) pomijają istotną zależność prądu w kanale od napięcia V DS Prąd zależy od napięć na wszystkich 4 końcówkach złożone modele matymatyczne stosowane w symulatorach obwodowych: BSIM, EKV itd.. 49
Część 1. Technologia: tranzystor nmos. Tranzystor MOS FET z kanałem n. Zakresy pracy ze względu na stopień inwersji kanału: odcięcie cut-off - brak kanału - prąd I DS rzędu fa, pa V GB = 0 oraz V GB < 0 słaba i umiarkowana inwersja weak & moderate inversion - prąd I DS typowo 1 na - 1 µa silna inwersja strong inversion - prąd I DS typowo > 10 µa 0 < V GB < V threshold V threshold < V GB V supply 50
Część 1. Technologia: tranzystor nmos. Tranzystor MOS FET z kanałem n. Tranzystor jako przełącznik. V GB = 0 (zakres odcięcia) to przełącznik jest wyłączony switch off. X Y V GB = 0 X Y V GB = V supply (zakres silnej inwersji) to przełącznik jest włączony switch on. X Y X Y V GB = V supply 51
Część 1. Technologia: CMOS. Technologia CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor. Oba typy tranzystorów są produkowane na wspólnym podłożu krzemowym typu p (common silicon p- substrate) 52
Część 1. Technologia: tranzystor pmos. Tranzystor MOS FET z kanałem p. Tranzystor jako przełącznik. V GB = 0 (zakres odcięcia) to przełącznik wyłączony switch off X Y V GB = 0 X Y V GB = -V supply (zakres silnej inwersji) to przełącznik włączony switch on X Y X Y V GB = -V supply 53
Część 1. Technologia: tranzystor pmos. Prawidłowe działanie wymaga polaryzacji wszystkich złącz diodowych w kierunku zaporowym. Podłoże układu scalonego (końcówki B wszystkich tranzystorów NMOS) musi być podłączone do najniższego potencjału czyli do masy (ground, gnd, Vss) Wszystkie wyspy nwell (końcówki B tranzystorów PMOS) najlepiej podłączyć do najwyższego potencjału czyli do zasilania (Vdd, Vsupply) 54
Część 1. Technologia: CMOS. Prawidłowa podłączenie końcówek B (bulks): w NMOS-ach do masy (ground, gnd, Vss) w PMOS-ach do zasilania (Vdd, Vsupply) 55
Podsumowanie Część 1. Technologia: CMOS. NMOS PMOS X Y X Y X Y Wspólne podłoże jest podłączone do najniższego potencjału, do gnd. NMOS PMOS X Y X Y Lokalne podłoża tranzystorów PMOS są podłączone typowo do najwyższego potencjału, do Vdd. X Y 56
Część 1. Technologia: Quiz. Quiz 1 Traktując tranzystory jako przełączniki, oblicz wartość napięcia na końcówce out w obu poniższych przypadkach. V DD V DD V out =? V out =? 57
Część 1. Technologia: Quiz. Quiz 2 Jak wygląda przebieg napięcia na końcówce out, jeśli na wejście podano przebieg prostokątny o amplitudzie od 0 V do napięcia zasilania? (Potraktuj tranzystory jako przełączniki.) V DD V DD 0 V DD 0 time 58
Część 1. Technologia: Quiz. Quiz 3 Jak wygląda przebieg napięcia na końcówce out, jeśli na wejście podano przebieg prostokątny o amplitudzie od 0 V do napięcia zasilania? (Potraktuj tranzystory jako przełączniki.) V DD V DD V DD 0 V DD 0 time 59
Część 1. Technologia: Quiz. Quiz 4 Traktując tranzystory jako przełączniki, oblicz wartość napięcia na końcówce out dla napięć wejściowych podanych w tabeli. V DD V in1 0 0 V DD V DD V in2 0 V DD 0 V DD V out???? 60
Część 1. Technologia: Quiz. Quiz 5 Jak wygląda przebieg napięcia na końcówce out, jeśli na bramkę podano przebieg prostokątny o amplitudzie od 0 V do Vdd = 3 V? (Potraktuj tranzystor jako przełącznik.) Napięcie stałe 1V C out? V DD 0 V DD 0 time 61
Koniec. Zapraszamy do części 2: podstawy działania układów cyfrowych. 62