Forelesning 8. CMOS teknologi

Like dokumenter
Forelesning nr.10 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.10 INF 1411 Elektroniske systemer. Felteffekt-transistorer

PENSUM INF spring 2013

Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer. Transistorer MOSFET Strømforsyning

UNIVERSITETET I OSLO

GJ ennomgang av CMOS prosess, tverrsnitt av nmos- og

INF1400. Digital teknologi. Joakim Myrvoll 2014

Oppgave 1 INF3400. Løsning: 1a Gitt funksjonen Y = (A (B + C) (D + E + F)). Tegn et transistorskjema (skjematikk) i komplementær CMOS for funksjonen.

Repetisjon. Sentrale temaer i kurset som er relevante for eksamen (Eksamen kan inneholde stoff som ikke er nevnt her)

INF 5460 Elektrisk støy beregning og mottiltak

UNIVERSITETET I OSLO

INF1400 Kap 0 Digitalteknikk

Løsningsforslag DEL1 og 2 INF3400/4400

Løsningsforslag DEL1 og 2 INF3400/4400

INF1400 Kap 1. Digital representasjon og digitale porter

IN troduksjon til CMOS fabrikasjonsprosess. Stick diagrammer

INF3400 Forel. # Avansert CMOS. INF3400 Forelesning #15 Øivind Næss

Dagens temaer. Dagens temaer er hentet fra P&P kapittel 3. Motivet for å bruke binær representasjon. Boolsk algebra: Definisjoner og regler

Oversikt. Avansert CMOS. INF3400 Del Skalering Transistorskalering Interconnect -skalering Teknologi roadmap

Digital representasjon

INF3400 Uke Wire Engineering 4.7 Design Margins. INF3400 Uke 14 Øivind Næss

Konstruksjon av gode ledninger

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

UNIVERSITETET I OSLO

Tips og triks til INF3400

Fys Halvlederkomponenter. Lasse Vines kontor: Kristen Nygårds hus, 3. etg.

UNIVERSITETET I OSLO

Elevverksted Elektronikk Bruk av transistor som bryter

IN 241 VLSI-konstruksjon Løsningsforslag til ukeoppgaver 25/ uke 39

Rapport laboratorieøving 2 RC-krets. Thomas L Falch, Jørgen Faret Gruppe 225

UNIVERSITETET I OSLO

Forelesning 6. Sekvensiell logikk

INF1400. Sekvensiell logikk del 1

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Dagens temaer. Architecture INF ! Dagens temaer hentes fra kapittel 3 i Computer Organisation and

Kontinuasjonseksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK. Onsdag 15. august Tid. Kl LØSNINGSFORSLAG

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer

Fys2210 Halvlederkomponenter. Forelesning 9 Kapittel 6 - Felteffekttransistoren

Kontinuasjonseksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK. Onsdag 15. august Tid. Kl LØSNINGSFORSLAG

Lab 1 i INF3410. Prelab: Gruppe 5

Rev. Lindem 25.feb..2014

Obligatorisk oppgave 2 i INF4400 for Jan Erik Ramstad

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

TFE4101 Krets- og Digitalteknikk Høst 2016

Masteroppgave 60 studiepoeng

VLSI (Very-Large-Scale-Integrated- Circuits) it Mer enn porter på samme. LSI (Large-Scale-Integrated-Circuits)

Cadence Oppstart og Skjemategning

MO deller for tidsforsinkelse i logiske porter blir gjennomgått.

Digital Teknologi. Forelesning nr 1

TDT4160 Datamaskiner Grunnkurs Gunnar Tufte

Kontinuasjonseksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK

GJ ennomgang av CMOS prosess, tverrsnitt av nmos- og

Transistorforsterker

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

LØSNINGSFORSLAG 2006

Del 5: Statisk digital CMOS

CMOS inverter DC karakteristikker og hvordan transistorstørrelser

Halvledere. Vg1 Vg3 Antall elever: Maksimum 15 Varighet: 90 minutter. Passer for:

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer

UNIVERSITETET I OSLO.

INF1400. Sekvensiell logikk del 1

Hovedpunkter. Digital Teknologi. Digitale Teknologi? Digitale Teknologi? Forelesning nr 1. Tall som kun er representert ved symbolene 0 og 1

Obligatorisk oppgave 4 i INF4400 for Jan Erik Ramstad

2. La det bli lys Ditt første Arduino program

UNIVERSITETET I OSLO

Transistorkretser Laboratorieeksperimenter realfagseminar Sjøkrigsskolen 15. November 2010

Del 3: Utvidet transistormodell og DC karakteristikk for inverter og pass transistor

Lab 5 Enkle logiske kretser - DTL og 74LS00

For å forstå hvordan halvledere fungerer, er det viktig først å ha forstått hva som gjør at noen stoffer leder strøm, mens andre ikke gjør det.

INF3400/4400 Digital Mikroelektronikk LøsningsforslagOppgaver DEL 15 Våren 2007

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

Eksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK

Modul nr Elektriske kretser

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer

FYS1210. Repetisjon 2 11/05/2015. Bipolar Junction Transistor (BJT)

INF3400/4400 Digital Mikroelektronikk Løsningsforslag DEL 13 Våren 2007

INF1510: Bruksorientert design

Meir om halvleiarar. Halvleiarteknologi

59.1 Beskrivelse Bildet under viser hvordan modellen tar seg ut slik den står i utstillingen.

Fysikk og teknologi Elektronikk FYS ) Det betyr kjennskap til Ohms lov : U = R I og P = U I

GJ ennomgang av CMOS prosess, tversnitt av nmos- og

Del 6: Tidsforsinkelse i logiske kjeder

Forelesning nr.1 IN 1080 Mekatronikk. Kursoversikt Ladning, strøm, spenning og resistans

Del 3: Utvidet transistormodell og DC karakteristikk for inverter og pass transistor VDD. Vinn. Vut. I. Innhold

TI dsforsinkelse i kjeder med logiske porter. Beregning av

Prototyping med Arduino del 2

Dagens temaer. Dagens temaer hentes fra kapittel 3 i læreboken. Oppbygging av flip-flop er og latcher. Kort om 2-komplements form

LABORATORIEOPPGAVE NR 6. Logiske kretser - DTL (Diode-Transistor Logic) Læringsmål: Oppbygning

Elektronikk med prosjektoppgaver FYS 1210

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder

Forelesning 3. Karnaughdiagram

Fysikk og teknologi - Elektronikk Mål for opplæringen er at eleven skal kunne

Forelesning 4. Binær adder m.m.

Del 4: Moderne MOS transistor modell, transient simulering og enkle utleggsregler

Kontinuasjonseksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK

IN 241 VLSI-konstruksjon Løsningsforslag til ukeoppgaver uke 36

Dagens temaer. temaer hentes fra kapittel 3 i Computer Organisation. av sekvensielle kretser. and Architecture. Tilstandsdiagram.

Transkript:

Forelesning 8 CMOS teknologi

Hovedpunkter MOS transistoren Komplementær MOS (CMOS) CMOS eksempler - Inverter - NAND / NOR - Fulladder Designeksempler (Cadence) 2

Halvledere (semiconductors) 3 I vanlig form leder havledere elektrisitet dårlig. Ved hjelp av «doping» og elektriske felt kan man endre ledningsevnen. Der to regioner som er dopet annerledes møtes, dannes en «semiconductor junction». Basisien for all moderne elektronikk: Dioder Transistorer Sensitivitet til lys og varme; solpaneler og thermoelektriske komponeneter. LED eller lys dioder. Mest vanlige halvledere: silisium, germanium og gallium.

NMOS transistoren NMOS (Negative doped Metal Oxide Silicon) En 3 (4) terminals komponent Drain Drain Symbol: Gate Gate Source Source Spenningen på gate bestemmer om transistoren leder strøm mellom drain og source terminalene 4

NMOS transistoren Ledning Gate poly Isolasjon Ledning n+ n+ Source Drain Silisiumskive p- p- Sett fra siden Silisiumskive n+ poly n+ p- : Svakt positivt dopet silisium n+ : Sterkt negativt dopet silisium (ledende) poly : Polykrystalinskt silisium (ledende) Sett ovenifra 5

NMOS transistoren Gate Isolasjon Source poly Drain n+ n+ p- Silisium skive n+ og poly leder strøm, p- leder også strøm til en viss grad Strøm (elektroner) kan ikke gå i fra p- til n+ materiale Strøm kan derfor i utgangspunktet ikke gå i fra source til drain 6

NMOS transistoren Gate Isolasjon Source 5V Drain n+ n+ p- Silisium skive Hvis man setter en positiv spenning på gate terminalen (5V)* i forhold til silisiumskiven, dannes det et n+ lag under gate terminalen Nå kan det gå strøm i mellom source og drain * Forutsetter en 5V prosess i alle påfølgende forklaringer 7

NMOS transistoren NMOS brukt som styrt bryter (digital anvendelse) Metallledning Gate Metallledning Bryter ekvivalent p- n+ n+ Metallledning Gate Metallledning p- n+ n+ 5V Bryter ekvivalent 8

PMOS transistoren PMOS (Positive doped Metal Oxide Silicon) En 3 (4) terminals-komponent Source Source Symbol: Gate Gate Drain Drain Spenningen på gate bestemmer om transistoren leder strøm i mellom drain og source terminalene 9

PMOS transistoren Gate Isolasjon Source poly Drain p+ p+ N-brønn p+ poly p+ n- N-brønn p- Silisiumskive Sett fra siden n- p- Sett ovenifra Silisiumskive n- : Svakt negativt dopet silisium p+ : Sterkt positivt dopet silisium (ledende) poly : Polykrystalinskt silisium (ledende) 10

PMOS transistoren Gate Source poly Drain p+ p+ n- N-brønn p- Silisium skive p+ og poly leder strøm, n- leder også strøm til en viss grad Strøm (elektroner) kan ikke gå i fra p+ til n- materiale Strøm kan derfor i utgangspunktet ikke gå i fra drain til source 11

PMOS transistoren Gate Source Drain p+ p+ n- 5V N-brønn p- Silisium skive Hvis man setter en negativ spenning på gateterminalen (-5V) i forhold til brønnen, dannes det et p+ lag under gateterminalen Nå kan det gå strøm mellom drain og source 12

PMOS transistoren PMOS brukt som styrt bryter (digital anvendelse) Metallledning Gate 5V Metallledning Bryter ekvivalent n- p+ p+ 5V Metallledning Gate Metallledning n- p+ p+ 5V Bryter ekvivalent 13

CMOS kretser CMOS (Complementary MOS) inverter Vdd Gnd n+ n+ p- n- p+ 5V Vdd p+ x x Metall Sett fra siden x Poly n- Gnd p- x 14 Kontakt fra metall til n+ Sett ovenifra

CMOS inverter Tilstand 1 - inn, 5V ut Vdd Gnd 5V n+ n+ p+ n- p- Sett fra siden 5V Vdd p+ 5V Gnd e- n- Vdd Gnd p- 5V Sett ovenifra 15

CMOS inverter Tilstand 2-5V inn ut Vdd 5V Gnd n+ n+ p- p+ n- Sett fra siden 5V 5V Vdd p+ 5V 5V Gnd e- n- Vdd Gnd p- Sett ovenifra 16

CMOS NAND-krets Vdd Vdd A B Både A og B må være 5V for å koble utgangen ned til A (AB) B Gnd 17

CMOS NAND-krets B A (AB) Vdd B A n- A 5V (AB) B p- Gnd Skjema Utlegg 18

CMOS NOR-krets A Det holder at enten A eller B er 5V for å koble utgangen ned til B (A+B) B A 19

CMOS NOR-krets A A B Vdd n- B (A+B) 5V (A+B) A B Gnd Skjema Utlegg 20

CMOS-kretser A C En enkel CMOS port kan implementere generelle funksjoner Eksempel: F = (C(A+B)) B (C(A+B)) A B C Vdd n- p- C (C(A+B)) B A Gnd 21

Eksempel: Fulladder CMOS-kretser 22

Open drain (wired AND) En port med open drain(collector)-utgang kan bare trekke utgangsspenningen ned til Gnd / 0, ikke dra den opp til Vdd / 1 Fordel: Utganger fra flere porter kan kobles sammen (ingen logisk/elektrisk konflikt) Andre egenskaper: For å kunne få 1 ut, bruker vi en ekstern motstand mot Vdd Nye funksjoner blir generert i utgangsledningene. (Kan resultere i færre porter) 23

Open drain Eksempel 1: Eksempel 2: Får 3-inputs NOR gratis Evt. får 3-inputs AND gratis 24

CMOS - teknologiutvikling Skalering reduksjon i geometriske størrelser Gate isolasjon: Vanlig tykkelse 1.2nm 7nm State of the art: <3 atomlag Gevinst ved reduksjon i tykkelse: Raskere transistor Transistor lengde: Vanlig lengde: 0.06µm-0.35µm State of the art: <10nm Gevinst ved reduksjon i lengde: Raskere transistor poly Isolasjon: Silisiumoksyd n+ n+ p- Silisiumskive 25 Transistorlengde

CMOS - teknologiutvikling Sideeffekt ved skalering: Forsyningsspenningen må reduseres Flere metall lag Mer 3 dimensjonal ledningsstruktur Vanlig antall metall lag: 5-12 Eksempel: Xilinx Virtex V FPGA 65nm transistorlengde, 12 metall lag, Vdd kjerne = 1V 26

CMOS - teknologiutvikling Eksempel på mikrochip overflate Transistor Metall ledninger 27 180nm

CMOS - teknologiutvikling Intel 90nm prosess 28

CMOS - teknologiutvikling Intel 90nm prosess Tverrsnitt av metall ledinger i 7 lag 29

30 CMOS skjulte budskap

Kurs i CMOS design ved IFI INF3400/4400 - Digital mikroelektronikk (vår) INF3410/4410 - Analog mikroelektronikk (høst) 31

Oppsummering MOS transistoren Komplementær MOS (CMOS) CMOS eksempler - Inverter - NAND / NOR - Fulladder CMOS teknologi 2006 Designeksempler (Cadence) 32