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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
GPS
Telemet.
wPDAs
WLANs
Cellular Phones
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
MicroelectrMicroelectróónicanica: Evoluci: Evolucióón histn históóricarica
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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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MicroelectrMicroelectróónicanica: Fundamentos: Fundamentos
• 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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MicroelectrMicroelectróónicanica: Fundamentos: Fundamentos
• 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
A
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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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?
1880 1920 1960 2000 20302010 2020198019401900
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
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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)