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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.


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)


• 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)


• Las caracteristicas electricas pueden ser controladaselectostaticamente en muchos ordenes de magnitud(facilmente 10!)


• 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)


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


• 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.


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↑↑


[obtenido del Website de Intel]


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 ↑↑


• La potencia total aumenta


⇒ se debe reducir VDD


Cuales son los limites?


El futuro de la microelectronica de acuerdo con Intel:

[realizado por Robert Chau, de Intel]


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


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.:


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


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.


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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