66.48 - Dispositivos Semiconductores - 2o Cuat. 2008 Lecture 26-1
Clase 261 - Conclusiones generales deDispositivos Semiconductores
26 de noviembre de 2008
Contenido:
1. Conclusiones generales del curso
1Esta clase es una traduccion, realizada por los docentes del curso ”66.48 - Dispositivos Semiconductores- de la FIUBA”, de la lecture 22 escrita por el prof. Jesus A. de Alamo para el curso ”6.012 - MicroelectronicDevices and Circuits” del MIT. Cualquier error debe adjudicarse a la traduccion.
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1. Conclusiones generales del curso
2 Las sorprendetes propiedas del silicio (modulacionde su conductividad, interfaz con SiO2, etc.) permitenobtener dispositivos electronicos muy poderosos.
• Existen dos tipos de portadores: electrones y huecos
– Se pueden hacer buenos dispositivos con un solotipo de portador, ej. MESFET (Metal-SemiconductorField-Effect Transistor), o HEMT (High ElectronMobility Transistor)
– Pero para hacer logica complementaria esimprescindible usar simultaneamente huecos yelectrones (ej. CMOS)
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• La concentracion de portadores puede ser controladamediante el agregado de dopantes:
– obtiendose variaciones de concentracion de hasta20 ordenes de magnitud!
– y estas variaciones se consiguen en escalas del rangode los nm
MOSFET fabricado por Intelcon longitud de Gate de 37 nm (IEDM ’05)
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• Las caracteristicas electricas pueden ser controladaselectostaticamente en muchos ordenes de magnitud(facilmente 10!)
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• Los portadores son veloces:
– los electrones pueden recorrer una ditancia L =0.1 µm en aproximadamente:
τ =L
ve=
0.1 µm
107 cm/s= 1 ps
– se obtinen altas densidades de corrientes:
Je = qnve = 1.6× 10−19 C × 1017 cm−3 × 107 cm/s
= 1.6× 105 A/cm2
⇒ alta relacion de corriente controlada vs. capac-itancia (dispositivos rapidos)
• propiedades fisicas y quimicas extraordinarias:
– se puede controlar el dopaje en 8 ordenes de mag-nitud (tipo P y tipo N)
– se pueden hacer contactos ohmicos de muy bajaresistencia
– se pueden aislar eficientemente dispositivos dentrode un mismo IC mediante junturas PN, ”trincheras”y tecnolgia SOI (Silicon On Insulator)
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2 Las propiedades sorprendentes del MOSFET de Si
• propiedades ideales de la interfaz Si/SiO2:
– se puede controlar la conductividad superficial entodo el rango desde acumulacion hasta inversion(modulacion de la densidad de portadores en 16ordenes de magnitud)
– esto no es posible en GaAs, por ejemplo
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• el desempeno mejora a medida que el MOSFET sereduce en tamano; es decir, L, W ↓:
– Expresion de la corriente:
ID =W
2LµCox(VGS − VT )2 (sincambios)
– Expresion de la capacidad:
Cgs = WLCox ↓↓
– Figura de merito para el tiempo de conmutacionentre estados:
CgsVDDID
= L2 2VDDµ(VGS − VT )2
↓↓
• No tiene corriente de gate.
• VT puede ser controlada mediante el proceso de fab-ricacion.
• Existen dos tipos de MOSFETs : NMOS y PMOS.
• Ambos tipos son faciles de integrar conjuntamente.
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2 Las propiedades sorprendentes del CMOS de Si
• Logica Rail-to-rail: los niveles logicos son 0 y VDD.
• No consumen potencia durante el estado estacionario.
• Facilmente reducibles en tamano.
Si L, W ↓:
– Consumo de potencia dinamica:
Pdiss = fCLV2DD ∝ fWLCoxV
2DD ↓↓
– Tiempo de propagacion:
tP ∝CLVDD
WL µCox(VDD − VT )2
↓↓
– Densidad de compuertas logicas:
Densidad ∝ 1
A=
1
WL↑↑
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2 Reduccion de tamano del MOSFET
El escalamiento directo del MOSFET no funciona.
• el campo electrico aumenta
Ey 'VDDL↑
• la densidad de potencia aumenta
Pdissarea dispositivo
∝ fWLCoxV2DD
WL= fCoxV
2DD
Ademas
tP ↓↓⇒ f ↑↑⇒ Pdissarea dispositivo
↑↑⇒ T ↑↑
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El futuro de la microelectronica de acuerdo con Intel:
[realizado por Robert Chau, de Intel]
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2 Son tiempos excitantes en la tecnologia de IC de Si:
• electronica analogica (desde los ∼ 50′s): amplifi-cadores, 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 so-
lares• 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): fotodetec-
tores, camaras CCD, camaras CMOS, sensores de tem-peratura, gases, humedad, etc.• MEMS micro-electro-mechanical systems (desde los∼ 90′s): sensores de presion, acelerometros, espejosmoviles, cabezales de impresoras• biochips (desde el ∼ 2000): secuenciadores de ADN,µfluidos• valvulas microelectronicas (desde el ∼ 2000?): field-
emitter displays (integracion de tubos catodicos)• ??????? (microreactores, microturbinas, etc.)• GaN: LEDs, Alta potencia, Alta frecuencia• GaAs, InP: Lasers, Detectores para fibra optica, elec-
tronica de consumo
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2 Lecciones de diseno de circuitos de este curso:
1. Importancia del nivel de abstraccion:
• de ecuaciones de la fisica del dispositivo, ej.:
ID =W
2LµCox(VGS − VT )2, etc.
• a modelos circuitales equivalentes del dispositivo, ej.:
• y a modelos SPICE del dispositivo, ej.:
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2. 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, con-sumo de potencia, ruido, etc.
• Inmunidad ante variaciones de temperatura y paramet-ros del dispositivo (ej.: amplificador diferencial)
• debe escogerse la tecnologia adecuada: CMOS, BJT,CBJT, BiCMOS, etc.
• deben evitarse los componentes costosos (ej.: resis-tores, capacitores)
3. Relaciones de compromiso:
• Ganancia-Ancho de banda en amplificadores (ej.: EfectoMiller)
• Desempeno-Consumo de potencia (ej.: delay en cir-cuitos logicos, ganancia en amplificadores)
• Desempeno-Costo (costo=complejidad de diseno, Areade Si, tecnologia de punta, etc.)
• Exactitud-Complejidad del modelado
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2 Se vienen tiempos muy excitantes en el diseno de cir-cuitos:
• Mayor cantidad de transistores disponibles por cadaIC.
• Aumento en la frecuencia de operacion de circuitosdigitales, analogicos y de comunicaciones.
• El voltaje de operacion se reduce rapidamente.
• Nuevas tecnologias de dispositivos: GaAs HEMT, InPHBT, GaN HEMT, etc.
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Otras materias sobre microelectronica en elMIT
• 6.152J - Micro/Nano Processing Technology. The-ory and practice of IC technology. Carried out inclean rooms of Microsystems Technology Laborato-ries. Fulfills Institute or EECS Lab requirement. Falland Spring.
• 6.301 - Solid-State Circuits. Analog circuit design.Design project. Spring. G-level.
• 6.334 - Power Electronics. Power electronics devicesand circuits. Spring. H-level.
• 6.374 - Analysis and Design of Digital IntegratedCircuits. Digital circuit design. Design projects. Fall.H-level.
• 6.720J - Integrated Microelectronic Devices. Mi-croelectronic device physics and design. Emphasis onMOSFET. Design project. Fall. H-level.
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