Microelectr electrónica: El Motor de la Sociedad de la Información Instituto de de Sevilla Centro Nacional de IMSE-CNM, CSIC (www.imse.cnm.es) José Manuel de la Rosa Utrera Dpto. Electrónica y Electromagnetismo Universidad de Sevilla Semana de la Ciencia y la Tecnología Escuela Superior de Ingenieros, UCA, 10 de noviembre de 2004 Revolución de las Telecomunicaciones Comunicaciones Inalámbricas ( wireless ) wpdas WLANs Cellular Phones Digital Radio Receivers Telemet. GPS Comunicaciones Alámbricas ( wired ) 1
Revolución de las Telecomunicaciones Telégrafo, 1838 Teléfono, 1876 Transistor BJT, 1948 Radio, 1918 Satélite, 1955 Del telégrafo a Internet Telefonía Móvil AMPS, 1983 Televisión, 1936 Fibra óptica 1966 Internet (ARPA, 1965) nica: : Evolución n histórica 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) 2
nica: : Evolución n histórica El Circuito Integrado CI: varios componentes compartiendo el mismo sustrato 1958: Jack Kilby (Texas Instruments) y Robert Noyce (Fairchild Semiconductors) desarrollan de forma separada el primer circuito integrado A principios de los 60, Fairchild comienza a desarrollar la tecnología planar Primer circuito integrado Primer CI con tecnología planar nica: : Evolución n histórica Desarrollo de la tecnología CMOS 1925: J. Lilienfeld (Canadá) patenta los principios básicos del transistor MOS Problemas tecnológicos relacionados con los materiales impiden su desarrollo 1965: Desarrollo del primer circuito MOS con propósito de cálculo 1967: Aparición de los primeros dispositivos MOS comerciales En sus inicios resultaba una tecnología más cara y compleja que la BJT En la actualidad, la tecnología CMOS se ha impuesto sobre las demás Mayor capacidad de integración Menor consumo de potencia Apropiadas para implementación de sistemas digitales a gran escala (VLSI) Tecnologías Bipolares empleadas sobre todo en sistemas analógicos de altas prestaciones 3
: Conjunto de conocimientos, aspectos, tecnologías, tendencias, técnicas, productos, etc, que persiguen la miniaturización de la Electrónica. Aspecto externo: cápsula ( package ) del chip DIL PGA SOIC QFP Interior de la cápsula Pines Bonding Lead Circuito Integrado Dado o chip (die) Bonding pads 4
Oblea (wafer) Dado o chip (die) Circuito integrado: Interconexión de componentes microelectrónicos construidos sobre un único medio (sustrato) que realiza una cierta operación o procesamiento sobre una serie de señales eléctricas (de entrada) dando como resultado una serie de señales eléctricas (de salida). Señal(es) de entrada Clasificación según la naturaleza de la señal Analógicos: procesan señales analógicas Información almacenada en la forma de onda Digitales: procesan señales digitales Información almacenada en la amplitud (cod. binaria) Mixtos o de señal mixta Procesan señales analógicas y digitales Señal(es) de salida 5
Clasificación de los circuitos integrados según su nivel de integración Clasificación de los circuitos integrados según la tecnología de fabricación Sustrato Inerte Thin Film TTL Thick Film ECL I 2 L SOI BJT Tecnologías lineales CI Sustrato Activo Silicio III-V (AsGa) MOS MESFET Bipolar CCD DRAM pmos nmos CMOS BiCMOS 6
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 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 7
Cómo funciona un transistor bipolar (BJT)? Diodo de unión PN P N Transistor NPN P N N Cómo funciona un transistor MOS? NMOS en off Formación del canal Intensidad de corriente a través del canal 8
Componentes principales de un circuito integrado: Transistores (BJT de Bipolar Junction Transistor ) Símbolo Estructura física Transistores (MOS de Metal-Oxide-Semiconductor ) Layout Símbolo Estructura física Layout Componentes principales de un circuito integrado: Diodos de unión pn Símbolo Estructura física Layout Resistores Símbolo Estructura física Layout 9
Componentes principales de un circuito integrado: Condensadores Símbolo Estructura física Layout Inductores Símbolo Estructura física Layout Resumen de características entrada-salida de los dispositivos electrónicos Elementos pasivos (resistores, condensadores e inductores) Elementos basados en uniones PN (diodos y BJT) Transistores MOS Región ohmica Región de saturación Región de inversión débil 10
Ejemplos de circuitos analógicos básicos Amplificadores Elementos de retraso (tiempo discreto) Comparadores Ejemplos de circuitos digitales básicos Inversor CMOS Biestable RS 11
nica: : Fabricación n de un CI Ejemplo: inversor CMOS Circuito y Operación Estructura física GND n+ n+ p+ p substrate A Y n well p+ V DD SiO 2 n+ diffusion p+ diffusion polysilicon metal1 nmos transistor pmos transistor nica: : Fabricación n de un CI Ejemplo: inversor CMOS Layout Máscaras n-well Polysilicon n+ diffusion p+ diffusion Contact Metal GND substrate tap nmos transistor A Y pmos transistor n well Polysilicon n+ Diffusion p+ Diffusion Contact well tap VDD Metal 12
nica: : Fabricación n de un CI 1. Polysilicon deposition Polysilicon SiO 2 Substrate 2. Photoresist coating photoresist Substrate 3. Exposure UV light Substrate 4. Photoresist development Substrate 5. Polysilicon etching Substrate 6. Final polysilicon pattern Substrate nica: : Escalado Tecnológico Longitud mínima de canal de un transistor MOS, también llamado lambda (λ) de la tecnología. M. de la Rosa Resolución de la tecnología (CMOS): L Dimensiones verticales x K -1 Tensiones x K -1 Concentración de impurezas x K Capacidad/área x K Dimensiones laterales x K -1 W 13
nica: : Circuitos digitales Ofrecen Mayor robustez Programabilidad/reconfigurabilidad Se beneficia del escalado tecnológico Jerarquía claramente definida Niveles de abstracción bien definidos Funcionalidad independiente de los bloques Síntesis altamente automatizado nica: : Circuitos analógicos José M. de la Rosa Semana de la Ciencia y la Tecnología 2004: Jos Menos robustos Más sensibles a imperfecciones Más sensibles al ruido No claro beneficio con el escalado tecnológico Falta de automatización del diseño Especificaciones Know-How Chip 14
nica: : Circuitos de señal mixta Las señales en la naturaleza son analógicas - al menos al nivel macroscópico Micrófono: genera señales eléctricas desde μv hasta mv Cámaras de video: señales con unos pocos electrones por μs Sensores sismográficos: desde μv hasta mv Para tratar estas señales por microprocesadores digitales (DSPs) Sistemas bioinspirados: CNNs, chips de Visión,. nica: : Circuitos de señal mixta La señal recogidad por la antena de un receptor RF tiene una amplitud de μv y Rosa una frecuencia central de GHz. Esta señal está rodeada por interferencias. 15
nica: : Circuitos de señal mixta Datos binarios transmitidos por un cable de larga distancia experimentan Atenuación Distorsión... Mejora usando codificación multinivel (DAC en el transmisor / ADC en el receptor) nica: : Circuitos de señal mixta A mayor precisión del DAC y del ADC, mayor capacidad de transmisión para el mismo ancho de banda del canal. Ejemplo, banda ADSL con modulación multitono (DMT): 8Mbits/s por hilo telefónico sobre una banda de 1.104MHz 16
nica: : Circuitos de señal mixta 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 digitalizada Esto es un reto importante ya que la velocidad de los discos duros actuales ronda los 500Mb/s Diseño de chips microprocesadores y memorias Experiencia de diseñadores analógicos: Timing, distribución de datos, etc... nica: : Circuitos de señal mixta De las PCB (Printed-on-Board) A los SoC (Systems-on-Chip) A los SiP (Systems-in-Package) 17
nica: : Circuitos de señal mixta nica: : Circuitos de señal mixta Rango de aplicaciones Tiempo al mercado Parte analógica Exigencia de especificaciones Tiempo 18
Las reglas de la Ingeniería a Electrónica Ley de Moore: El número de transistores en un chip se doblará cada año SE ESTÁ CUMPLIENDO!! Las reglas de la Ingeniería a Electrónica Ley de Rock: El coste de un semiconductor se doblará cada cuatro años NO SE ESTÁ CUMPLIENDO!! 19
Las reglas de la Ingeniería a Electrónica Ley de Machrone: El PC que tu quieres comprar te costará 5000$ Se ha cumplido hasta principios de los 90 En la actualidad, el coste oscila entre 1000-3000$ (según equipo) 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.) 20
Tendencias: Nanoelectrónica nica Ops/sec Nanoelectrónica: Estudia dispositivos electrónicos cuyo tamaño está en el rango de 1-10nm Nanometer 1.E+11 doubles every 1.E+10 few months? 1.E+09 1.E+06 1.E+03 1.E+00 1.E-03 1.E-06 Mechanical Relays Doubled every 7.5 years Transistors Doubled every 2.3 year CMOS Doubles every 1.0 year 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2010 2020 2030 21
Nanoelectrónica nica: Nanodispositivos Dos caminos: Nano-dispositivos descendientes de la microelectrónica Nano-dispositivos fabricados a partir de moléculas electrónica molecular Dispositivos Nano-electrónicos Electrónica Molecular Nanoelectrónica nica: : El futuro de CMOS Con la nano-miniaturización se prevee que: Los circuitos CMOS tengan 10 10 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 22
Nanoelectrónica nica: : El Transistor Terahertz Desarrollado por la Univ. de Montpellier y el IEMN de Lille (Francia) (Applied Physics Letters, Marzo 2004) Nanotransistor de AsGa Anchura de puerta : 60nm Canal de 20nm Capaz de generar señales en el rango de 0.3-3 THz Nanoelectrónica nica: Spintronics bits quánticos : hacia el ordenador cuántico Basados en dispositivos electrónicos que controlan el spin del electrón Electrones confinados en puntos cuánticos - spin controlado por campos electromag. MRAMs (Magnetic RAM) Memoria no volátil Combina propiedades de lectura/escritura de SRAM y capacidad de alm. de DRAM Puede simplificar la estructura de los ordenadores 23
Nanoelectrónica nica: Nanotubos de carbono Nanotubos Descubierto por el Dr. Lijima (Nec Corp.) Moléculas de carbono asociadas en hexágonos dispuestos en forma cilíndrica Posiblemente sucesores de la tecnología CMOS Transistor basado en CNT Desarrollado por U. Delf e IBM El canal es un nanotubo de carbono El drenador/fuente son electrodos de oro Puerta de silicio altamente dopado Intensidad de corriente es función de la anchura del nanotubo Nano-biotecnolog biotecnología: Biochips Virus generadores de transistores Modificados genéticamente para generar materiales necesarios para futuras tecnolog. nanoelectrónicas Objetivo: síntesis de circuitos nanoelectrónicos 24
Telecom. : wireline de banda ancha Cable/DSL TECNOLOGÍA PLC 25
Telecom. : Wireless vs. v Wireline Tendencia hacia comunicaciones inalámbricas!! Telecom. : redes WMAN 26
Telecom.: UltraWideBand Telecom. : Dispositivos Universales ( do-it-all devices) Disp. Multipropósito PDA Reproductor MP3, Lector e-book Teléfono móvil Software radio Cámara digital Receptor GPS Televisor portátil Consola videojuegos Basado en: Electrónica reconfigurable Programabilidad 27
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.) las Tecnologías de mayor impacto son aquellas que desaparecen de nuestra vista, que se imbrican en el tejido de lo cotidiano (Mark Weiser, 1991) 28