CMOS ÁRAMKÖRÖK TERVEZÉSE Dr. Keresztes Péter Széchenyi István Egyetem Automatizálási Tanszék

1. CMOS ÁRAMKÖRÖK TERVEZÉSE Dr. Keresztes Péter Széchenyi István Egyetem Automatizálási Tanszék CMOS áramkörök

2. Michael Faraday 1833-ban azt tapasztalta, hogy az ezüstszulfid ellenállása csökken a hőmérséklet növelésével. CMOS áramkörök

3. A bipoláris tranzisztor-hatás felfedezése 1956-ban Shockley, Bardeen és Brattain fizikai Nobel-díjat kaptak a tranzisztor-hatás felismeréséért. Tény, hogy szigetelt elektródán keresztül történő térvezérléssel vezetőképesség modulációt kívántak megvalósítani, de az akkor a felületi állapotok árnyékoló töltése miatt akkor még nem sikerülhetett. CMOS áramkörök

4. A planár technológia, szilíciumon A felületi állapotok töltése nagyságrendekkel csökkenthető, ha a szilícium felületére saját anyagából, termikusan növesztünk jól szigetelő SiO2 szilícium-dioxidot. 1959.ben Jean A. Hoerny, (Fairchild) ezzel megteremtette a forradalmi jelentőségű PLANAR technológiát. CMOS áramkörök

5. Az első integrált áramkör. FAIRCHILD, 1959. 1959-ben Robert Noice, szintén a Fairchild cégnél megvalósítja az első integrált áramkört, szilíciumon, planár technológiával. CMOS áramkörök

6. A 8080 mikroprocesszor 40 lábú DIL (Dual in Line) kerámia tokban. 1974-ben az Intel piacra dobja az első 8-bites mikroprocesszort, a 8080 típusjelzésű csipet. Ez 6000 szigetelt elektródájú, térvezérlésű n-csatornás MOSFET-t tartalmaz, 6-mikronos vonalfelbontással. A processzor számítási teljesítménye 0.64 MIPS. CMOS áramkörök

7. A mikroprocesszor történet néhány további métföldköve - 1976 : Zilog : Z-80, 8-bites mikroprocesszor, egyszer +5 V tápfeszültséggel - 1979: Zilog : a 16-bites Z-8000 Számunkra fontos tény, hogy 1980-ban a magyar LSI-Társulás megvalósítja az első (és egyben utolsó) magyar mikroprocesszort CMOS áramkörök

8. A CMOS struktúra n+, p+ : erősen adalékolt régiók, p - : gyengén adalékolt p típusú hordozó CMOS áramkörök

9. Áramvezetés félvezető anyagokban (szilíciumban) CMOS áramkörök

10. Kovalens kötés elektronikus tisztaságú szilícium-kristályrácsban CMOS áramkörök

11. Termikus generáció-rekombináció tiszta szilíciumban CMOS áramkörök

12. N-típusú adalékolt szilícium CMOS áramkörök

13. P-típusú, adalékolt szilícium CMOS áramkörök

14. Diffúziós áram inhomogén adalékolású szilíciumban CMOS áramkörök

15. Sodródási áram

16. Átmenet egyensúlyi állapotban CMOS áramkörök

17. A MOSFET sémája és alapelve (n-csatornás, növekményes) CMOS áramkörök

18. A MOSFET áram-feszültség karakterisztikáinak kvalitatív magyarázata, ábrákkal CMOS áramkörök

19. A hosszú csatornájú , pl. 10 x 10 mikrométer négyzetes MOSFET áram-feszültség karakterisztikáinak egyszerű, szakaszos képletei, mérés alapján történő közelítéssel (MODEL-1) A trióda tartomány lineáris szakasza: ID = k (VGS – VT) VDS A trióda tartomány telítési (szaturációs) tartomány felé tartó szakasza: ID = k ((VGS – VT) VDS – ½ VDS2) Inverzió, a telítési (szaturációs) tartományban: IDSsat = k/2 V2DSsat = k/2(VGS – VT)2 VDSsat = VGS – VT CMOS áramkörök

20. A rövid csatornájú , pl. 0.1 x1 mikrométer-négyzetes MOSFET áram-feszültség karakterisztikáinak egyszerű, szakaszos képletei, mérés alapján történő közelítéssel, az effektív gate-feszültség (VE) bevezetésével (MODEL-3) Ha VE = VGS-VT > 0 és VDS < VE akkor a MOSFET trióda szakaszban van, és ID = k((VEVDS – ½ V2DS ) Ha VE > 0 és V*DS = VE akkor a MOSFET telítési határhelyzetbe van, és I*D = k/2(V*DS)2= k/2(VE)2 Ha VE > 0 és VDS > V*DS = VE ID= I*D ( 1 + λ(VDS - V*DS)) = k/2(VE)2 ( 1 + λ(VDS - VE)) CMOS áramkörök

21. k = ? n-csatornás eszköze esetén: k = βn = μn cox (W / L) μn ~ 400 cm2/Vs cox = (εoεsio2) / Tox = (8.86 x10-14 F/cm x 12) / 10x 10 -7cm = 1.06 x 10-5 F/cm2 = 1.06 x 10 -13 F/um2 = 0.106 pF/um2 ~ 100 fF/um2 p-csatornás eszköz esetén: k = βp= μp Cox (W / L) μp ~ 200 cm2/Vs CMOS áramkörök

22. Egy kicsit pontosabban! CMOS áramkörök

23. CMOS áramkörök

24. Inverzió Ups = 2 Up CMOS áramkörök

25. A MOSFET inverzióban, kis pozitív VDS feszültségnél W L CMOS áramkörök

26. CMOS áramkörök

27. FLAT-BAND feszültség CMOS áramkörök

28. Az áram CMOS áramkörök

29. CMOS áramkörök

30. A telítés (saturation) határa CMOS áramkörök

31. TELÍTÉSBEN CMOS áramkörök

32. Az n-fet áram-feszültség karakterisztikák modelljének összefoglalása CMOS áramkörök

33. p-fet CMOS áramkörök

34. TECHNOLÓGIA CMOS áramkörök

35. C-MOS technológia 1. CMOS áramkörök

36. C-MOS technológia 2. CMOS áramkörök

37. C-MOS technológia 3. CMOS áramkörök

38. C-MOS technológia 4. CMOS áramkörök

39. C-MOS technológia 5. CMOS áramkörök

40. C-MOS technológia 6. CMOS áramkörök

41. C-MOS technológia 7. CMOS áramkörök

42. C-MOS technológia 8. CMOS áramkörök

43. C-MOS technológia 9. CMOS áramkörök

44. 1. Gyakorlati feladat Az ‘mw2’ program segítségével vizsgáljuk meg egy 10/10 mikrométeres n- és p- csatornás MOSFET karakterisztikáit ! Hasonlítsuk össze a legegyszerűbb LEVEL1 és a legfejlettebb, BERKELEY (BSIM4) modelleket. CMOS áramkörök

45. CMOS áramkörök

46. N-CSATORNÁS MOSFET(n-MOS, n-FET) CMOS áramkörök

47. Az n-MOSFET karakterisztikái CMOS áramkörök

48. A p-MOSFET struktúrája és szimbólumai CMOS áramkörök

49. A p-MOSFET karakterisztikái CMOS áramkörök

50. Az n-MOSFET magas szint átvitelének mérése CMOS áramkörök