CIRCUITE INTEGRATE

ANALOGICE

U. P. B.

Anca Manuela Manolescu 2006-2007

cuprins

Cap.1. Introducere: istoric, dimensiune si complexitate, tehnologii ,

proiectare

Cap.2 .Circuite integrate analogice de uz general si aplicatii

Cap.3.Tehnologii de realizare a CI CMOS si bipolare

Cap.4.Modelarea dispozitivelor

Cap.5. Circuite elementare de baza: rezistoare active,surse de curent,

oglinzi de curent, referinte de tensiune si curent

Cap.6.Etaje de amplificare elementare: etaje corespunzand celor trei

configuratii de baza, comportarea in frecventa, etaje inversoare, etaje

cascod,etaje diferentiale

Cap.7. Etaje de iesire:etaje clasa A, B, A-B si etaje prefinale

Cap.8. Amplificatoare operationale

Cap.9. Raspunsul in frecventa si stabilitatea circuitelor cu

amplificatoare operationale

Cap.10. Circuite integrate neliniare

Anexa 1 Caracterisici Bode

1. Gray,P.R., Meyer, R.G., Analysis and Design of Analog Integrated Circuits,

Wiley, 1993

2. Gray,P.R.,Meyer, R.G., Circuite integrate analogice. Analiza si proiectare,Ed.

Tehnica, 1997

3. Allen P.,Holberg D.,CMOS Analog Circuit Design, Oxford University

Press,2002

4. Manolescu A.M., Manolescu A., Popa , Circuite integrate analogice. Culegere

de probleme. Partea 1, Litografia UPB, 2006

5. Manolescu A.M.,Analog Integrated Circuits,Foton International, 1999

6. Manolescu A.M.s .a.,Circuite integrate liniare, Ed. Didactica si Pedagogica,

1983

Bibliografie

1.INTRODUCERE

DE FINITIE ( IEEE)

Circuitele integrate-elemente de

circuit interconectate electric DAR

si inseparabil asociate pe ori in

interiorul aceluiasi substrat

continuu

Pentium IV

1.1 Scurt istoric

“To remember us who our real heroes should be”(The Wall Street Journal)

1930 LILIENFELD si HEIL pun bazele teoretice ale tranzistorului cu efect de camp (FET) – prematur din punct de vedere tehnologic

Echipamentele electronice realizate cu tuburi electronice-vid, filament incalzit electric,electrozi suplimentari - amplificare si comutare

Dar –voluminoase,scumpe, fragile, mari consumatoare de energie,putin fiabile

Primul calculator digital ENIAC (Universitatea Pennsylvania) – ocupa camere intregi, consuma putere echivalent unei locomotive…

ENIAC

Tranzistorul bipolar cu jonctiuni (BJT)

• Decembrie 1947, William Shockey,Walter Brattain, John Bardeen (Bell Laboratories)- tranzistorul bipolar cu contacte punctiforme

• Bazat pe fizica semiconductoarelor

• Realizeaza aceleasi functii de circuit (amplificare si comutare)prin deplasarea purtatorilor de sarcina in materialul semiconductor solid

• AVANTAJE: nu necesita tub de sticla, vid, filament incalzit , timp pentru incalzire,elimina pericolul de intrerupere, nu mai consuma energie in exces

• Descoperirea tranzistorului bipolar mai usor, mai mic, mai rapid, mai fiabil,cu consum de putere mult mai mic, marcheaza inceputul Industriei de MICROELECTONICA

Milestones

The invention of the bipolar transistor in 1947 by John Bardeen

(left), Walter Brattain (right) and William Shockley (seated) from the

Bell Telephone Laboratories was an important event, which was

rewarded 1956 with the Nobel Prize.

Primul tranzistor bipolar cu

contacte punctiforme –1947

• 1956 Schockley, Bardeen , Brattain

Premiul Nobel pentru fizica

• Subiect :”Pentru studiile asupra

semiconductorilor si descoperirea efectului

tranzistor” • La a 25-a aniversare a tranzistorului Brattain

…”The thing I deplore the most is the use of solid state

electronics by rock and roll musicians to raise the level of

sound to where it is both painful and injurious”…

In urmatorii 15 ani – numar impresionant de variante de

tranzistoare bipolare si alte dispozitive semiconductoare

Inlocuiesc tuburile electronice in diverse echipamente

Tuburile cu vid devin piese de muzeu

Spre jumatatea anilor ’50 vanzarile de dispozitive

semiconductoare-miliarde de dolari

Noua tehnologie- considerata un miracol de presa populara

iar electronistii adevarati magicieni

Dar ‘tranzistorizarea’ se confrunta cu rezolvarea unei mari

probleme..

1957‘problema interconexiunilor’

sau

‘bariera numerelor’(numbers barrier)

sau

‘tirania numerelor’

Rezolvarea implica

1. Will to think

2. Will to spend

Diverse firme

•1978 Firma Texas Instruments din Dallas angajeaza pe

Jack Kilby (34 ani) la programul de ‘micromodule’

-calm, domol, linistit,

modest,introvertit

-cea mai mare parte a

activitatii creative a realizat-o

singur

-a facut parte din grupul de

pionieri care in’50 a trecut un

tranzistor din faza de prototip

in productie

•Kilby a fost angajat pentru a fructifica in cadrul

programului de micromodule cheltuielile facute in

laboratorul de semiconductoare

•IDEEA MONOLITICA-realizarea tuturor elementelor de

circuit direct in siliciu prin modul de aranjare a regiunilor

de tip N si de tip P, fabricate simultan. Nu mai e

necesara interconectarea lor, conexiunile fiind realizate

intern.

• Nu mai trebuiesc fire de legatura, nici lipituri

•Dispare bariera numerelor mari

•Pentru verificarea ideii a realizat pe un chip un

oscilator cu defazaj RC lung de 1,2 cm si lat de 0,5 cm,

care a fost gata la 12 octombrie 1958

•Firma TI aplica pentru a patenta primul circuit integrat

(Miniaturized Electronic Circuit), incluzand desenul

oscilatorului

The Integrated Circuit

• 1958: Jack Kilby, working at TI, dreams up the idea of a monolithic “integrated circuit”

– Components connected by hand-soldered wires and isolated by “shaping”, PN-diodes used as resistors (U.S. Patent 3,138,743)

Diagram from patent application

Ideea monolitica • Inseamna realizarea intregului circuit intr-un bloc

• Include doua concepte noi:

-integrarea

-interconectarea

• In primul chip Kilby ;

-a integrat toate elementele de circuit pe chipul de siliciu -interconectarea a facut-o manual cu fire subtiri de aur

• Nemultumit in ultimul moment a adaugat in cererea de patent ca in locul firelor de aur se pot pot folosi trasee de aur peste un oxid.

• TI a depus cererea de patent la Oficiul de patente pe 6.02.1959

• Pe 25 aprilie 1961 s-a acordat patentul pentru primul circuit integrat…..

….. lui Robert Noyce de la compania Fairchild

Semiconductors in San Francisco Bay, cunoscuta azi ca Valea

Siliciului,fondata in1957

ROBERT NOYCE

• doctor in fizica, genial, impulsiv, logoreic, lucra in grup,,remarcabil talent managerial

• cofondator la 31 de ani al companiei care avea drept scop realizarea tranzistorului NPN dublu difuzat

• principala problema-contaminarea cu fire de praf, gaze, sarcina electrica

• 1958 Jean Hoerni -solutia teoretica de a ‘sigila’ structura cu un strat de dioxid de siliciu ca o operatie chirurgicala in jungla

• proces planar-datorita suprafetei plane a oxidului depus peste siliciu

• Noyce se gandeste la alte aplicatii ale procesului planar- conectarea mai multor tranzistoare de pe aceeasi placheta de siliciu prin trasee metalice ‘tiparite’ peste oxid, operatie mult mai simpla decat atasarea firelor, deoarece se poate face simultan pentru toate traseele

• realizeaza ca astfel se poate rezolva ‘tirania numerelor’ ceea ce va aduce un profit extraordinar

• propune o structura cu doua tranzistoare, un rezistor si un capacitor interconectate prin trasee de cupru ‘tiparite’ peste oxid

• pe 30 iulie 1959 Fairchild Instruments depune cererea de patent pentru ‘o structura unitara de circuit in care interconexiunile se depun in acelasi timp si prin aceleasi procedee ca si componentele circuitului’

PRIMUL CIRCUIT INTEGRAT AL COMPANIEI

FAIRCHILD INSTRUMENTS

Kilby si Noyce

• Pornind pe cai diferite Kilby si Noyce au ajuns independent unul ce celalalt la ‘ideea monolitica’

• Kilby a avut primul ideea construirii tuturor elementelor de circuit in acelasi bloc de material semiconductor si apoi ca aceste elemente pot fi interconectate prin trasee pe suprafata semiconductorului

• Noyce a avut primul ideea interconectarii prin trasee metalice aderente pe stratul de oxid si de la acest nivel a pornit spre a realiza toate elementele de circuit in interiorul materialului semiconductor

• Kilby a fost mai rapid, utilizarea procesului planar a facut ca abordarea lui Noyce sa fie mai viabila

• Pe 25 aprilie 1961 ROBERT NOYCE, prin U.S Patent No.2.981.877 , este declarat inventatorul circuitului integrat, desi cronologic a ajuns dupa JACK KILBY la ideea monolitica

• Urmeaza un lung proces juridic “Kilby v. Noyce”

Lui Kilby i se reproseaza firele de aur folosite pentru interconectare….

• In final, pe 6 noiembrie 1969,Curtea Suprema a SUA il confirma oficial pe ROBERT NOYCE drept inventator al circuitului integrat (microchip)

• Amandurora li se acorda Medalia Nationala pentru Stiinta, avand meritul de a fi rezolvat problema ‘tiraniei numerelor’, iar in lumea electronistilor amandoi sunt recunoscuti drept co-inventatori ai circuitelor integrate

• Apoi, dupa decesul lui Noyce in 1990…..

• In 1993 John Kilby primeste Premiul

Kyoto, varianta japoneza a Premiului

Nobel

• In 2000 John Kilby primeste Premiul Nobel

in Fizica pentru Inventarea circuitului

integrat

• 1962 se realizeaza primul tranzistor cu

efect de camp pe substrat de siliciu

• Lucrarile lui Noyce si Kilby marcheaza

inceputul erei circuitelor integrate-dezvoltare fara

precedent

• Deceniul 7 –introducerea pe scara larga in

industrie a circuitelor integrate bipolare

• In deceniul al 8-lea are loc revolutia CMOS in

domeniul circuitelor integrate digitale iar spre

sfarsitul deceniului al noulea tehnologia CMOS

patrunde si in domeniul analogic

1.2 Dimensiunea si complexitatea circuitelor

integrate

Clasificare dupa numarul de dispozitive(FET,BJT)

Moore’s Law - CPU

Clasificare dupa dimensiunea minim realizabila

(lungimea L sau latimea w minim realizabile a unui FET)

Structura tridimensionala simplificata a unui MOSFET

• Dimensiune minima realizabila

1970-1980 tipic 5 m

1980-1990 tipic 2 m

1990-2000 0,75-0.35 m

dupa 2000 0,1 m

Dimensiunea verticala este si mai mica

ex. proces de 5 m

grosime oxid 1000A

Cateva consecinte ale reducerii dimensiunii minime

1.Cresterea numarului N de dispozitive pe placheta

N=Aria plachetei/Aria trazistor

Aria plachetei/Aria portii

Ex:la trecerea dela 5 m la unul de 0,5 m

pentru L=w , N creste de 100 de ori

Ce inseamna ? Aria chipului scade de acelasi numar de ori

2.Scade pretul de cost=cost de prelucare placheta/nr chipuri bune

deoarece:

A .costul de prelucrare a unei plachete este independent

de aria chipului

B .creste randamentul de fabricatie=nr.chipuri/nr.chipuri bune

-depinde de aria chipului

-pierderile de la periferia plachetei sunt cu atat maimici

cu cat aria chipului e mai mic

3.Creste viteza de lucru ca urmare a reducerii dimensiunilor

(aproximativ liniar)-chipuri mai ieftine si mai rapide

4.Creste marimea si complexitatea circuitelor ce pot fi integrate

care altminteri ar ocupa o arie prea mare

Limitari produse de reducerea dimensiunii

minime

• Deteriorare a imperecherii caracteristicilor tranzistoarelor

• Cresterea costului echipamentului de procesare a

plachetelor

• Cerinte suplimentare pentru instrumentele software

utilizate in proiectare

• Cresterea densitatii de putere disipate

Dar avantajele depasesc cu mult limitarile ceea

ce justifica efortul investit in reducerea

dimensiunii minime

1.3 Tehnologii utilizate in microelectronica

Tehnologia MOS se divide in 3 categorii

• PMOS- tehnologia care foloseste doar MOS cu canal P

-putin folosita azi,tranzistoarele PMOS au caracteristici putin atractive (mobilitate goluri)

• NMOS- doar tranzistoare NMOS

-densitate de componenteexcelenta

-performante rezonabile

• CMOS- simultan PMOS si CMOS

-flexibilitate marita in proiectare, circuite mai complexe

-consum static de putere redus la valori extreme in cazul circuitelor digitale

- pret de cost mai ridicat, arie ocupata mai mare.

Tehnologia bipolara

Cea mai populara in anii ’60, ’70

Ofera:

-premizele functionarii bune la inalta frecventa

-panta mare

-capabilitate mare in curent

AVANTAJE IMPORTANTE IN APLICATII ANALOGICE

T H A N K Y O U !