Clase Conclusiones generales de Dispositivos Semiconductores. 26 de noviembre de Conclusiones generales del curso

Transcripción

1 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture 26-1 Clase Conclusiones generales de Dispositivos Semiconductores 26 de noviembre de 2008 Contenido: 1. Conclusiones generales del curso 1 Esta clase es una traduccion, realizada por los docentes del curso Dispositivos Semiconductores - de la FIUBA, de la lecture 22 escrita por el prof. Jesus A. de Alamo para el curso Microelectronic Devices and Circuits del MIT. Cualquier error debe adjudicarse a la traduccion.

2 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture Conclusiones generales del curso Las sorprendetes propiedas del silicio (modulacion de su conductividad, interfaz con SiO2, etc.) permiten obtener dispositivos electronicos muy poderosos. Existen dos tipos de portadores: electrones y huecos Se pueden hacer buenos dispositivos con un solo tipo de portador, ej. MESFET (Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor), o HEMT (High Electron Mobility Transistor) Pero para hacer logica complementaria es imprescindible usar simultaneamente huecos y electrones (ej. CMOS)

3 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture 26-3 La concentracion de portadores puede ser controlada mediante el agregado de dopantes: obtiendose variaciones de concentracion de hasta 20 ordenes de magnitud! y estas variaciones se consiguen en escalas del rango de los nm MOSFET fabricado por Intel con longitud de Gate de 37 nm (IEDM 05)

4 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture 26-4 Las caracteristicas electricas pueden ser controladas electostaticamente en muchos ordenes de magnitud (facilmente 10!)

5 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture 26-5 Los portadores son veloces: los electrones pueden recorrer una ditancia L = 0.1 µm en aproximadamente: τ = L v e = 0.1 µm 10 7 cm/s = 1 ps se obtinen altas densidades de corrientes: J e = qnv e = C cm 3 = A/cm cm/s alta relacion de corriente controlada vs. capacitancia (dispositivos rapidos) propiedades fisicas y quimicas extraordinarias: se puede controlar el dopaje en 8 ordenes de magnitud (tipo P y tipo N) se pueden hacer contactos ohmicos de muy baja resistencia se pueden aislar eficientemente dispositivos dentro de un mismo IC mediante junturas PN, trincheras y tecnolgia SOI (Silicon On Insulator)

6 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture 26-6 Las propiedades sorprendentes del MOSFET de Si propiedades ideales de la interfaz Si/SiO2: se puede controlar la conductividad superficial en todo el rango desde acumulacion hasta inversion (modulacion de la densidad de portadores en 16 ordenes de magnitud) esto no es posible en GaAs, por ejemplo

7 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture 26-7 el desempeno mejora a medida que el MOSFET se reduce en tamano; es decir, L, W : Expresion de la corriente: I D = W 2L µc ox(v GS V T ) 2 (sincambios) Expresion de la capacidad: C gs = W LC ox Figura de merito para el tiempo de conmutacion entre estados: No tiene corriente de gate. C gs V DD I D = L 2 2V DD µ(v GS V T ) 2 V T puede ser controlada mediante el proceso de fabricacion. Existen dos tipos de MOSFETs : NMOS y PMOS. Ambos tipos son faciles de integrar conjuntamente.

8 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture 26-8 Las propiedades sorprendentes del CMOS de Si Logica Rail-to-rail: los niveles logicos son 0 y V DD. No consumen potencia durante el estado estacionario. Facilmente reducibles en tamano. Si L, W : Consumo de potencia dinamica: P diss = fc L V 2 DD fw LC ox V 2 DD Tiempo de propagacion: t P C L V DD W L µc ox(v DD V T ) 2 Densidad de compuertas logicas: Densidad 1 A = 1 W L

9 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture 26-9 [obtenido del Website de Intel]

10 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture [obtenido del Website de Intel]

11 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture Reduccion de tamano del MOSFET El escalamiento directo del MOSFET no funciona. el campo electrico aumenta E y V DD L la densidad de potencia aumenta P diss area dispositivo fw LC oxvdd 2 W L = fc ox V 2 DD Ademas t P f P diss area dispositivo T

12 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture La potencia total aumenta

13 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture se debe reducir V DD

14 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture Cuales son los limites?

15 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture El futuro de la microelectronica de acuerdo con Intel: [realizado por Robert Chau, de Intel]

16 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture Son tiempos excitantes en la tecnologia de IC de Si: electronica analogica (desde los 50 s): amplificadores, mezcladores, osciladores, DAC, ADC, etc. electronica digital (desde los 60 s): computadoras, microcontroladores, logica random, DSP memorias de estado solido (desde los 60 s): DRAM, flash, EEPROM, etc. conversion de energia (desde los 70 s): celdas solares control de potencia (desde los 70 s): smart power comunicaciones (desde los 80 s): VHF, UHF, RF, modems, fibra optica sensores, imagenes (desde los 80 s): fotodetectores, camaras CCD, camaras CMOS, sensores de temperatura, gases, humedad, etc. MEMS micro-electro-mechanical systems (desde los 90 s): sensores de presion, acelerometros, espejos moviles, cabezales de impresoras biochips (desde el 2000): secuenciadores de ADN, µfluidos valvulas microelectronicas (desde el 2000?): fieldemitter displays (integracion de tubos catodicos)??????? (microreactores, microturbinas, etc.) GaN: LEDs, Alta potencia, Alta frecuencia GaAs, InP: Lasers, Detectores para fibra optica, electronica de consumo

17 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture Lecciones de diseno de circuitos de este curso: 1. Importancia del nivel de abstraccion: de ecuaciones de la fisica del dispositivo, ej.: I D = W 2L µc ox(v GS V T ) 2, etc. a modelos circuitales equivalentes del dispositivo, ej.: y a modelos SPICE del dispositivo, ej.:

18 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture Multiples consideraciones en el diseno de circuitos: distintas especificaciones de desempeno: en sistemas analogicos: ganancia, ancho de banda, consumo de potencia, excursion, ruido, etc. en sistemas digitales: tiempo de propagacion, consumo de potencia, ruido, etc. Inmunidad ante variaciones de temperatura y parametros del dispositivo (ej.: amplificador diferencial) debe escogerse la tecnologia adecuada: CMOS, BJT, CBJT, BiCMOS, etc. deben evitarse los componentes costosos (ej.: resistores, capacitores) 3. Relaciones de compromiso: Ganancia-Ancho de banda en amplificadores (ej.: Efecto Miller) Desempeno-Consumo de potencia (ej.: delay en circuitos logicos, ganancia en amplificadores) Desempeno-Costo (costo=complejidad de diseno, Area de Si, tecnologia de punta, etc.) Exactitud-Complejidad del modelado

19 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture Se vienen tiempos muy excitantes en el diseno de circuitos: Mayor cantidad de transistores disponibles por cada IC. Aumento en la frecuencia de operacion de circuitos digitales, analogicos y de comunicaciones. El voltaje de operacion se reduce rapidamente. Nuevas tecnologias de dispositivos: GaAs HEMT, InP HBT, GaN HEMT, etc.

20 Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat Lecture Otras materias sobre microelectronica en el MIT 6.152J - Micro/Nano Processing Technology. Theory and practice of IC technology. Carried out in clean rooms of Microsystems Technology Laboratories. Fulfills Institute or EECS Lab requirement. Fall and Spring Solid-State Circuits. Analog circuit design. Design project. Spring. G-level Power Electronics. Power electronics devices and circuits. Spring. H-level Analysis and Design of Digital Integrated Circuits. Digital circuit design. Design projects. Fall. H-level J - Integrated Microelectronic Devices. Microelectronic device physics and design. Emphasis on MOSFET. Design project. Fall. H-level.