introducción a la microelectrónica
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Tema 1Introducción a la Microelectrónica
Motivaciones para cursar esta asignatura en la carrera de Ingeniería
18/10/2015
Departamento de Ingeniería Electrónica.
MIT. Complementos de Electrónica
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Contenidos del tema
1. Introducción
1. Introducción histórica
2. Ley de Moore
3. Ciencias asociadas
2. Tecnologías de Semiconductores
1. Escalas de Integración
3. Diseño de un Circuito Integrado
1. Niveles de representación de un diseño.
4. Aspectos Económicos
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La microelectrónica en la sociedad
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¿Por qué diseñar Circuitos Integrados?
Los circuitos integrados de aplicación
específica son soluciones a problemas de
ingeniería de alta tecnología:Comunicaciones de alta velocidad
Computación Paralela
Preservar la propiedad intelectual
Fiabilidad de sistemas electrónicos
Economía
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1.1 Introducción histórica
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1886•Descubrimiento de un nuevo elemento del grupo IV: Germanio
(Ge) por Clemens Winkler
•El primer coche de 4 ruedas, inventado por Daimler &
Benz
• La Coca-Cola se formula en Atlanta por un farmacéutico
•Nace Walter Schottky, y será el futuro padre del estudio
teórico de la unión metal-semiconductor
•Se aisla la Fluorine por Moisson
•Una patente Británica y Americana describe la producción de
Aluminio
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La necesidad de un Amplificador de Estado Sólido y un Interruptor Electrónica
En los años 1920s, 30s y 40s el número de clientes de telefonía creció exponencialmente. Millones de válvulas de vacío e interruptores se necesitaron para conectar clientes y transportar señales sonoras convertidas en señales eléctrica sobre miles de cables de teléfono.
Tubos de vacío con carcasas de cristal y cátodos a alta temperatura, unos 800ºC utilizaban mucho espacio y potencia, siendo de enorme fragilidad y muy corta vida útil para atender estas demandas.
El físico Dr. Mervin Kelly, director de investigaciones de Bell Labs, forma en 1938 el grupo de trabajo encargado de desarrollar el amplificador de estado sólido. Se escogieron los materiales semiconductores para este objetivo
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Descubrimiento del transistor
Bell labs 23 Diciembre de 1947: Inventaron el transistor de punto de contacto, que demuestra el principio de la amplificación, pero era muy frágil (J. Bardeen y W. Brattain)
Enero de 1948: Inventan el transistor de unión (W. Shockley)
Se construyen transistores de Ge y Si: Transistor de Ge de punto de contacto
Transistor de unión de Ge
Aleó el transistor de Ge
Ge mesatransistor (fmax = 500 MHz, Charles Lee, 1954)
Transistor planar de Si (Jean A. Hoerni, 1960)
Si ICs (e.g., Pentium)
SiGe HBTs (fmax = 350 GHz, 2002)
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Primer transistor de unión
Shockley define el primer transistor de
unión en 1951 (U.S. Patent 2,623,105)
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764 micras
Patente de Robert Noyce
del primer circuito integrado
en tecnología planar
Primer transistor de unión
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El transistor MOS Patente de Lilienfeld en 1933: “Dispositivo para
controlar la corriente eléctrica”, U. S. Patent
1,900,018
En 1962: RCA construye el primer transistor
MOS
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Kilby define los primeros procedimientos
para construir circuitos integrados
monolíticos: Componentes conectados por conductores soldados a mano y
aislados por uniones pn inversas, diodos utilizados como
rsistencias (U.S. Patent 3,138,743)
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Producción en masa de circuitos
integrados El descubrimiento
fortuito de la unión silicio dióxido de silicio: Jean A. Hoerni en Fairchild, 1957
Jack Kilby en Texas Instruments versus Robert Noyce en Fairchild Semiconductors
Litografía y enmascaramiento
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1.2 Ley de Moore
La tecnología de Silicio forma parte de
nuestra vida diaria
Desde su origen, los circuitos han de ser: Más pequeños -> más complejos
Más rápidos -> respuestas más rápidas
Menor consumo -> aplicaciones autónomas
Cada vez somos más dependientes de la
tecnología
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Ley de Moore
Formulada por Gordon Moore en 1964
Moore es co-fundador de Intel
Predicciones de la demanda tecnológica hasta 1974
“El número de transistores que podemos integrar en una pulgada cuadrada se doblará cada 12 meses”
La velocidad de conmutación se doblará cada 18 meses
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La complejidad de un circuito se duplica cada año
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El señor Moore se equivocó… en la validez de esta ley.
¡¡¡Lleva vigente 40 años!!!
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Panorámica en 2010
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Más rápido y más pequeño…
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Circuito Integrado hoy: 50 to 100 Million transistors
Ley de Moore Law: Durará mucho más?
El SIA roadmap: validez hasta 2015
Que habrá después de 2015 nano electronics?
superconducting electronics?
Spintronics?
carbon nanotubes?
single electron transistors?
nano crystals?
3D?
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1.3 Ciencias Asociadas
Además de las tecnologías de fabricación
dos ciencias se han desarrollado:
◦ Arquitectura de ordenadores
◦ Tecnología del software
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Arquitectura de ordenadores
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ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator,
U. S. Army 1946; J. P. Eckert & J. W. Mauchly, U. of Pennsylvania;
18.000 Tubos de Vacío, 30 toneladas)
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software y metodologías
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Departamento de Ingeniería Electrónica.
Microelectrónica
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Intel 4004 (1971)
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2. Tecnologías de Semiconductores
Tecnologías basadas en Si
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Sustrato Activo
Sustrato Inerte
Bipolar Mosfet JFET
ZafiroÓxido de
Si
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Tecnologías de Semiconductores Híbridos
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SiGe AsGa
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2.1 Escalas de Integración
Denominación Nº Trans Tipo de circ Años Aplicaciones
Discretos 1-2 NPN 60s Simples
SSI (baja) <100 NMOS 70s TTLs, Analog
MSI (Media) <103 NMOS 80s UARTs
LSI (Alta) >103 NMOS,CMOS 90s 4004,6502
VLSI(Muy alta) >104 CMOS 90s Pentium
ULSI(Ultra alta) 109 CMOS? 00s Virtex II
Escala nanométrica 1012 CMOS? 00s Ultrascale
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3. Diseño de circuitos integrado
Circuitos Integrados EstándarEjemplos: 74LS02, 40M27, LN127,…
Sin aplicación concreta
Muchos fabricantes ofrecen los mismos circuitos con similares denominaciones.
Circuitos Integrados de Aplicación EstándarEjemplos: 80C51, FTDI232, PIC18, Itanium,…
Aplicación concreta
Cada fabricante ofrece una solución, pero no son compatibles.
Circuitos Integrados de Aplicación EspecíficaCircuitos personalizadas para cada usuario o proyecto.
Se optimiza el área y las prestaciones
Se selecciona la tecnología del fabricante.
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SED
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Tecnologías de diseño
A medida (Custom)
Precaracterizadas (Semicustom)
Tecnologías programables
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Semicustom Celdas Estándar
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Proceso de diseño
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Diagrama en Y de D. Gajski
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Flujo de diseño
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Herramientas:
Simulación alto nivel
Sintesis lógica
Simulación medio nivel
Síntesis física
Verificación física
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Descomposición jerárquica
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“Divide y vencerás”
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3.1 Niveles de representación
Nivel Comportamiento
Nivel Estructural
Nivel Físico
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Y<=A+B;
a
c
d
bf
f=ac+ad+bc+bd
a
b
c
d
f
f=(a+b)(c+d)
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4. Aspectos económicos
Herramientas:
◦ Software (licencias)
◦ Hardware (plataformas de desarrollo)
Ingeniería (nuestro sueldo)
Time-to-market (depreciación)
Ingeniería no retornable (máscaras)
Estrés -> (se pasa muy mal)
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Aspectos económicos
Cálculo de “retorno de la inversión”
ROI=ganancias/inversión
Si tenemos en cuanta los diferentes factores que inciden en el ROI
ROI=(12-C)(E/1+E)L
A+L*C*D
A son los costes de implementación (software, hardware, computadoras,…)
L es el coste de la ingeniería
C son los meses necesarios para entrenar a los ingenieros
D es la pérdida de productividad durante el entrenamiento
E es el incremento de la productividad con el nuevo sistema
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Time to market
Desde que una idea se concibe hasta que
el producto está en el mercado
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Idea
Diseño
FabricaciónPruebas, homologación
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Beneficios
Privacidad: preservar el conocimiento.
Prestaciones: Mejor tecnología frente a
competidores
Reducción de coste en el sistema: Área
de PCB, menos componentes
Fiabilidad: Menores riesgos de fallo.
Imagen: “El chip de famosa”
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4.1 Rendimiento de fabricación
Se conoce como Yield:Número de piezas buenas/Cantidad de Si
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Coste del dado =Coste de la oblea
Dados por oblea x yieldoblea
Yielddado = Yieldoblea x 1+Defectos por unidad area x area dado
-
Coste IC = coste del dado+ coste del testing + coste del encapsulado
Yielddado
Rendimiento de fabricación de obleas
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Proceso del test
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Oblea de Silicio
Dado sin encapsular
Oblea procesada
Cilindro de Si
Dado encapsulado
Test de oblea
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Factores que influyen en el yield
Partículas de polvo
Defectos cristalinos de oblea y su
procesado
Desalineamiento de máscaras
Defectos y envejecimiento de máscaras
Envejecimiento de los procesos químicos
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Partículas de polvo
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Por último…
Con tecnologías de Si se puede hacer
cualquier cosa:
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https://www.youtube.com/watch?v=UvluuAIiA50
Interesante…
18/10/2015
Departamento de Ingeniería Electrónica.
Diseño de Circuitos y Sist. Electrónicos