Microelectrónica: “El Motor de la Sociedad de la...
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1 Semana Semana de la de la Ciencia Ciencia y la y la Tecnolog Tecnolog í í a a 2004: 2004: Jos Jos é é M. de la Rosa M. de la Rosa Semana de la Ciencia y la Tecnología Escuela Superior de Ingenieros, UCA, 10 de noviembre de 2004 Micro Microelectr electrónica: nica: “ El Motor de la Sociedad El Motor de la Sociedad de la Informaci de la Información” Jos osé Manuel anuel de la Rosa Utrera de la Rosa Utrera Dpto. Electrónica y Electromagnetismo Universidad de Sevilla Instituto de Microelectrónica de Sevilla Centro Nacional de Microelectrónica IMSE-CNM, CSIC (www.imse.cnm.es) Microelectrónica... Semana Semana de la de la Ciencia Ciencia y la y la Tecnolog Tecnolog í í a a 2004: 2004: Jos Jos é é M. de la Rosa M. de la Rosa “Revoluci Revolución” de las Telecomunicaciones de las Telecomunicaciones GPS Telemet. wPDAs WLANs Cellular Phones Digital Radio Receivers Comunicaciones Inalámbricas (“wireless”) Comunicaciones Alámbricas (“wired”)
Transcript of Microelectrónica: “El Motor de la Sociedad de la...
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Semana de la Ciencia y la TecnologíaEscuela Superior de Ingenieros, UCA, 10 de noviembre de 2004
MicroMicroelectrelectróónica: nica: ““El Motor de la Sociedad El Motor de la Sociedad de la Informacide la Informacióónn””
JJososéé MManuelanuel de la Rosa Utrerade la Rosa Utrera
Dpto. Electrónica y ElectromagnetismoUniversidad de Sevilla
Instituto de Microelectrónica de Sevilla Centro Nacional de Microelectrónica
IMSE-CNM, CSIC(www.imse.cnm.es)
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““RevoluciRevolucióónn”” de las Telecomunicacionesde las Telecomunicaciones
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Digital Radio Receivers
Comunicaciones Inalámbricas (“wireless”)
Comunicaciones Alámbricas (“wired”)
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Del telDel teléégrafo a Internetgrafo a Internet
Telégrafo, 1838
Teléfono, 1876
Radio, 1918
Televisión, 1936
Satélite, 1955
Fibra óptica1966
Telefonía Móvil AMPS, 1983
Internet (ARPA, 1965)
““RevoluciRevolucióónn”” de las Telecomunicacionesde las Telecomunicaciones
Transistor BJT, 1948
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Evoluci: Evolucióón histn históóricarica
• El transistor bipolar (BJT)
1948: Brattin, Bardeen y Schockley (Bell Labs. AT&T)Desarrollo teórico y experimental del transistor BJT
Primer montaje experimental
Primer transistor de unión Primer transistor comercial (Texas Instruments)
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Evoluci: Evolucióón histn históóricarica
• El Circuito IntegradoCI: varios componentes compartiendo el mismo sustrato1958: Jack Kilby (Texas Instruments) y Robert Noyce (Fairchild Semiconductors) desarrollan de forma separada el primer circuito integradoA principios de los 60, Fairchild comienza a desarrollar la tecnología planar
Primer circuito integrado Primer CI con tecnología planar
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• Desarrollo de la tecnología CMOS1925: J. Lilienfeld (Canadá) patenta los principios básicos del transistor MOS
Problemas tecnológicos relacionados con los materiales impiden su desarrollo1965: Desarrollo del primer circuito MOS con propósito de cálculo1967: Aparición de los primeros dispositivos MOS comercialesEn sus inicios resultaba una tecnología más cara y compleja que la BJTEn la actualidad, la tecnología CMOS se ha impuesto sobre las demás
Mayor capacidad de integraciónMenor consumo de potenciaApropiadas para implementación de sistemas digitales a gran escala (VLSI)
Tecnologías Bipolares empleadas sobre todo en sistemas analógicos de altas prestaciones
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Fundamentos: Fundamentos
• Microelectrónica: Conjunto de conocimientos, aspectos, tecnologías, tendencias, técnicas, productos, etc, quepersiguen la miniaturización de la Electrónica.
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• Aspecto externo: cápsula (“package”) del chip
DIL PGA SOIC QFP
• Interior de la cápsula
Dado o chip (die)
Pines
BondingLead
Bonding pads
Circuito Integrado
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Oblea (wafer)
Dado o chip (die)
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• Circuito integrado:Interconexión de componentes microelectrónicos construidos sobre un únicomedio (sustrato) que realiza una cierta operación o procesamiento sobre unaserie de señales eléctricas (de entrada) dando como resultado una serie de señales eléctricas (de salida).
• Clasificación según la naturaleza de la señalAnalógicos: procesan señales analógicas
Información almacenada en la forma de ondaDigitales: procesan señales digitales
Información almacenada en la amplitud (cod. binaria)Mixtos o de señal mixta
Procesan señales analógicas y digitales
Señal(es) de entrada Señal(es) de salida
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• Clasificación de los circuitos integrados según su nivel de integración
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CI
Sustrato Inerte Sustrato Activo
Thin Film
Thick FilmSilicio III-V (AsGa)
MESFET BipolarBJT
TTL
ECL
I2LTecnologías
“lineales”
MOS
pmos
nmos
CMOS
BiCMOS
CCD
DRAM
SOI
• Clasificación de los circuitos integrados según la tecnología de fabricación
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• Los chips se construyen sobre un sustrato de semiconductor, normalmente silicio
• El silicio es un elemento perteneciente al grupo IV• Estructura reticular cristalina con enlaces 4 enlaces/átomo
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• El silicio puro no tiene portadores libres ( mal conductor)• Añadiendo materiales “dopantes” aumenta la conductividad• Materiales tipo N (dopados con As): Grupo V, tienen un electrón extra• Materiales tipo P (dopados con B): Grupo III, tienen un “hueco”
Tipo N Tipo P
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• ¿Cómo funciona un transistor bipolar (BJT) ?
Diodo de unión PN P N Transistor NPN
N
P
N
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• ¿Cómo funciona un transistor MOS ?
NMOS en “off” Formación del canal
Intensidad de corriente a través del canal
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• Componentes principales de un circuito integrado:Transistores (BJT de “Bipolar Junction Transistor”)
Transistores (MOS de “Metal-Oxide-Semiconductor”)
Símbolo Estructura física
Símbolo Estructura física Layout
Layout
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• Componentes principales de un circuito integrado:Diodos de unión pn
Resistores
Símbolo Estructura física Layout
Símbolo Estructura física Layout
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• Componentes principales de un circuito integrado:Condensadores
InductoresSímbolo Estructura física Layout
Símbolo Estructura física Layout
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• Resumen de características entrada-salida de los dispositivos electrónicosElementos pasivos (resistores, condensadores e inductores)
Elementos basados en uniones PN (diodos y BJT)
Transistores MOS
Región ohmica
Región de saturación
Región de inversión débil
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• Ejemplos de circuitos analógicos básicosAmplificadores
Elementos de retraso (tiempo discreto) Comparadores
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• Ejemplos de circuitos digitales básicosInversor CMOS
Biestable RS
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Fabricaci: Fabricacióón de un CIn de un CI
n+
p substrate
p+
n well
A
YGND VDD
n+ p+
SiO2
n+ diffusion
p+ diffusion
polysilicon
metal1
nMOS transistor pMOS transistor
• Ejemplo: inversor CMOSCircuito y Operación
Estructura física
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Fabricaci: Fabricacióón de un CIn de un CI
• Ejemplo: inversor CMOSLayout
GND VDD
Y
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substrate tap well tapnMOS transistor pMOS transistor
Máscarasn-wellPolysiliconn+ diffusionp+ diffusionContactMetal
Metal
Polysilicon
Contact
n+ Diffusion
p+ Diffusion
n well
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SubstrateSiO2
Polysilicon1. Polysilicon deposition
2. Photoresist coating
photoresist
Substrate
Substrate
3. Exposure UV light
Substrate
4. Photoresist development
Substrate
5. Polysilicon etching
Substrate
6. Final polysilicon pattern
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osa • Resolución de la tecnología (CMOS):
Longitud mínima de canal de un transistor MOS, también llamado “lambda” (λ) de la tecnología.
MicroelectrMicroelectróónicanica: Escalado Tecnol: Escalado Tecnolóógicogico
W
L
Dimensiones verticales x K-1
Tensiones x K-1
Concentración de impurezas x KCapacidad/área x KDimensiones laterales x K-1
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Circuitos digitales: Circuitos digitales
• OfrecenMayor robustezProgramabilidad/reconfigurabilidad
• Se beneficia del escalado tecnológico
• Jerarquía claramente definidaNiveles de abstracción bien definidosFuncionalidad independiente de losbloques
• Síntesis altamente automatizado
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Circuitos anal: Circuitos analóógicosgicos
• Menos robustosMás sensibles a imperfeccionesMás sensibles al ruido
• No claro beneficio con el escalado tecnológico• Falta de automatización del diseño
Especificaciones Chip
“Know-How”
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Circuitos de se: Circuitos de seññal mixtaal mixta
• Las señales en la naturaleza son analógicas - al menos al nivel macroscópicoMicrófono: genera señales eléctricas desde μV hasta mVCámaras de video: señales con unos pocos electrones por μsSensores sismográficos: desde μV hasta mV
•Para tratar estas señales por microprocesadores digitales (DSPs)
•Sistemas bioinspirados: CNNs, chips de Visión, ….
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osa• La señal recogidad por la antena de un receptor RF tiene una amplitud de μV y
una frecuencia central de GHz. Esta señal está rodeada por interferencias.
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osa • Datos binarios transmitidos por un cable de larga distancia experimentan
AtenuaciónDistorsión....
• Mejora usando codificación multinivel (DAC en el transmisor / ADC en el receptor)
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Circuitos de se: Circuitos de seññal mixtaal mixta
• A mayor precisión del DAC y del ADC, mayor capacidad de transmisión para el mismo anchode banda del canal.• Ejemplo, banda ADSL con modulaciónmultitono (DMT): 8Mbits/s por hilo telefónicosobre una banda de 1.104MHz
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• Procesado de la señal en el disco duro de un ordenador:Señales eléctricas leidas por el cabezal de un disco duro: distorsión, ruido,...Necesitan ser procesadas analógicamente antes de ser digitalizadaEsto es un reto importante ya que la velocidad de los discos duros actuales rondalos 500Mb/s
• Diseño de chips microprocesadores y memoriasExperiencia de diseñadores analógicos: Timing, distribución de datos, etc...
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Circuitos de se: Circuitos de seññal mixtaal mixta
De las PCB (Printed-on-Board) A los SoC (Systems-on-Chip)
A los SiP (Systems-in-Package)
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MicroelectrMicroelectróónicanica: Circuitos de se: Circuitos de seññal mixtaal mixta
Tiempo al mercado
Parte analógica
Exigencia de especificaciones
Rango de aplicaciones
Tiempo
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Las Las ““reglasreglas”” de la Ingenierde la Ingenieríía Electra Electróónicanica
• Ley de Moore: “El número de transistores en un chip se doblará cada año”
¡¡SE ESTÁ CUMPLIENDO!!
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Las Las ““reglasreglas”” de la Ingenierde la Ingenieríía Electra Electróónicanica
• Ley de Rock: “El coste de un semiconductor se doblará cada cuatro años ”
¡¡NO SE ESTÁ CUMPLIENDO!!
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Las Las ““reglasreglas”” de la Ingenierde la Ingenieríía Electra Electróónicanica
• Ley de Machrone: “El PC que tu quieres comprar te costará 5000$ ”Se ha cumplido hasta principios de los 90En la actualidad, el coste oscila entre 1000-3000$ (según equipo)
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Si la industria del automóvil hubiera evolucionado al ritmo de la microelectrónica, un Rolls Royce costaría en
nuestros días unos 20 céntimos y recorrería unos 100 millones de kilómetros con 1 litro de gasolina
(W.K. Rowland, Spirit of the Web, Somerville House Pub.)
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TendenciasTendencias: : NanoelectrNanoelectróónicanica
• Nanoelectrónica: Estudia dispositivos electrónicos cuyo tamaño estáen el rango de 1-10nm
1.E+11
CMOSDoubles every 1.0 year
TransistorsDoubled every 2.3 year
1.E+10
1.E+09
1.E+06
1.E+03
1.E+00
1.E-03
1.E-06
Mechanical RelaysDoubled every 7.5 years
Nanometerdoubles every few months?
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Ops/s
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NanoelectrNanoelectróónicanica: : NanodispositivosNanodispositivos
• Dos caminos:Nano-dispositivos “descendientes” de la microelectrónicaNano-dispositivos fabricados a partir de moléculas – electrónica molecular
Dispositivos Nano-electrónicos Electrónica Molecular
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NanoelectrNanoelectróónicanica: El futuro de CMOS: El futuro de CMOS
• Con la nano-miniaturización se prevee que:Los circuitos CMOS tengan 1010 transistores aprox. 2012 Las velocidades de operación alcancen los 10 – 15 GHz (¡frente a 1 GHz actual !)
• Ejemplo: La longitud de puerta de un transistor MOS hoy es = 120 nm 22 nm (2014)
100 nm
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NanoelectrNanoelectróónicanica: El Transistor : El Transistor ““TerahertzTerahertz””
• Desarrollado por la Univ. de Montpellier y el IEMN de Lille (Francia) (Applied Physics Letters, Marzo 2004)• Nanotransistor de AsGa
Anchura de puerta : 60nmCanal de 20nmCapaz de generar señales en el rango de 0.3-3 THz
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NanoelectrNanoelectróónicanica: : ““SpintronicsSpintronics””
• “bits quánticos”: hacia el ordenador cuánticoBasados en dispositivos electrónicos que controlan el “spin” del electrónElectrones confinados en “puntos” cuánticos - spin controlado por campos electromag.
• MRAMs (Magnetic RAM)Memoria no volátilCombina propiedades de lectura/escritura de SRAM y capacidad de alm. de DRAMPuede simplificar la estructura de los ordenadores
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NanoelectrNanoelectróónicanica: : NanotubosNanotubos de carbonode carbono
• Transistor basado en CNTDesarrollado por U. Delf e IBMEl canal es un nanotubo de carbonoEl drenador/Fuente son electrodos de oroPuerta de silicio altamente dopadoIntensidad de corriente es función de
la anchura del nanotubo
• NanotubosDescubierto por el Dr. Lijima (Nec Corp.) Moléculas de carbono asociadas en hexágonos dispuestos en forma cilíndricaPosiblemente sucesores de la tecnologíaCMOS
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NanoNano--biotecnologbiotecnologíía: a: BiochipsBiochips
• Virus “generadores” de transistoresModificados genéticamente para generar materiales necesarios para futuras tecnolog. nanoelectrónicasObjetivo: síntesis de circuitos nanoelectrónicos
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Telecom.Telecom. : : ““wirelinewireline”” de de banda anchabanda ancha
Cable/DSL TECNOLOGÍA PLC
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Telecom.Telecom. : : Wireless vWireless vs. s. WirelineWireline
¡¡Tendencia hacia comunicaciones inalámbricas !!
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Telecom.Telecom. : redes WMAN: redes WMAN
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Telecom.: Telecom.: UltraWideBandUltraWideBand
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Telecom. : Dispositivos UniversalesTelecom. : Dispositivos Universales((““dodo--itit--allall”” devicesdevices))
• Disp. MultipropósitoPDAReproductor MP3,…Lector “e-book”Teléfono móvilSoftware radio Cámara digitalReceptor GPSTelevisor portátilConsola videojuegos…
• Basado en:ElectrónicareconfigurableProgramabilidad
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osa “A nadie en su sano juicio se le habría ocurrido preparar
entonces todos estos componentes (transistores, resistores y condensadores) a partir de un
semiconductor, que además de no ser el mejor material para ello, era increíblemente caro”
(Jack Kilby, co-inventor del circuito integrado, Premio Nobel de Física, Año 2000.)
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osa “…las Tecnologías de mayor impacto son aquellas que
desaparecen de nuestra vista, que se imbrican en el tejido de lo cotidiano…”
(Mark Weiser, 1991)
