CAO des Circuits CAO des Circuits Analogiques Analogiques

FonctionnementModélisationConceptionDessin des masques

Master IGIS, spécialité MicroélectroniqueCours de R. Grisel

PrPréésentation du courssentation du coursSéances de cours :

Introduction généraleLes évolutions des technologies SiliciumLes différentes techniques de conception VLSILe transistor MOS à la loupe (microscopique)Modélisation du transistor MOS.Les circuits de base (amplification).Techniques d ’intégration.

Travail personnel :

Modélisation, simulation, dessin (simplifié) inverseurOutils « freeware » (PSPICE, MICROWIND)

Projet

Références bibliographiquesCMOS Analog Circuit Design P.E. ALLEN, D.R. HOLBERG, Oxford University Press.

VLSI Design Techniques for Analog and Digital Circuits, R.L. GEIGER, P.E. ALLEN, N.R. STRADER, Mc GraW-HILL International Editions.

Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, P.R. GRAY, R.G. MEYER, John Wiley & Sons Inc.

Analog Integrated Circuit Design, David A.Johns, Ken Martin, John Wiley & Son.

Analog IC Design : The Current-Mode Approach, C. TOUMAZOU, F.J. LIDGEY, D.G. HAIGH, London Peregrinus.

CMOS Circuit design, Layout, and simulation, R.Jacob Baker, Harry W.Li, David E.Boyce, IEEE Press series on microelectronic.

Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Paul R.Gray, Robert, G.Meyer, John Wiley & Son.

Microelectronic circuits, Adel S.Sedra, K.C.Smith, Oxford University Press

Site Web du MasterSite Web du Master

http://richard.grisel.free.fr/Master_OSM

Menu Documents de cours (M2 OSM)

1

Introduction

Composants et circuits enMicroélectronique

2

Introduction générale

microélectroniqueCircuits et Systèmes

• Microélectronique est à la croisée des chemins – "Révolution Computationnelle"– "Révolution Communicationnelle"

Electronique : Marché de $1 Trillion 1 000 Milliards de dollars US

3

Applications des Semiconducteurs• Circuits Logiques

– "Computeurs", DSP

• Amplificateurs– "Hi-Fi", Communications sans fil, Téléphonie

• Mémoires– DRAM, SRAM, NVRAM

• Lasers– Communications Optiques, Lecteurs CD

• Photodiodes– Recépteurs (Comm. optique, Camera numérique)

• "Charge Coupled Device" (CCD)– Camera numérique

• Beaucoup d'autres– Capteurs, MEMS, Afficheurs

4

Contenu du Cours

Introduction aux composants "microelectroniques" et circuits associés

• Composants en microélectronique– Physique des SC (Supposée connue)

– "Metal-oxide-semiconductor field-effect transistors" (MOSFETs)

• Circuits microélectroniques– Circuits numériques (Principalement CMOS)– Circuits Analogique (MOS et CMOS)

Donne les "pré-requis" pour :

• Technologie des procédés en Microelectronique• Physique des composants• Conception des circuits Analogiques• Conception des circuits numériques

5

Microelectronique:Révolution "computationnelle"

1.E-06

1.E-04

1.E-02

1.E+00

1.E+02

1.E+04

1.E+06

1.E+08

1900 1920 1940 1960 1980 2000

Year

Cal

cula

tions

per

sec

ond/

$100

0

mechanicallogic

electromechanicallogic

vacuum tubelogic

discrete transistor logic

IC logicfrom R. Kurzweil in "The Age of Spiritual Machines ", 1999

Ces 30 dernières années, la performance pardollar a été multipliée par plus d'un million!

6

Microelectronique:Révolution "communicationnelle"

En 20 ans, la bande passante pour une simple fibre optique a été multipliée d'un facteur 10000.

7

A l'intérieur du système...

Ordinateur personnel:"Hardware" & "Software"

PCB:

Module:100K composants

Cellule:50 composants

Porte:10 composants

MOSFETCodage numérique de

l'information

Circuit intégré:5Million composants

8

A l'intérieur d'un CI …

Itanium — Intel

• Un réseau d'interconnexions (plusieurs niveaux avec complexité varaible)

• Très haute densité de transistors (taille minuscule)

9

Plusieurs couches d'interconnexions

7 couchesde metallisation

10

Dimension du Transistor

Source

Grille

Drain

11

Composants et circuits en microélectroniqueQuelles tendances?

• Croissance exponentielle en complexité et functionalité pour les CIs [loi de Moore]

• Décroissance exponentielle du cout par fonction des circuits intégrés

• Décroissance exponentielle de la consommation par fonction des circuits intégrés

12

Evolution (Intégration des transistors)

1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002

1K

4K16K

64K

1M

4M

16M

128MDRAM

Cost / Bit ($, 95)

2006

256M 1G

4004

8086

8080

Pentium Pro

8028680386

Pentium

Pentium IIPentium III

Cos

t/Bit

($, 9

5)

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

Tran

sist

ors

/ Chi

p

107

106

105

104

103

108

109

Cos

t/Fun

ctio

n

Pentium IV

#1

256K80486

64M

#2

Microprocessor

102

10-9

Loi de Moore:La densité transistor double tous les1.5 - 2 ans

13

Performance des Processeurs Tendances

Intel microprocessor

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00

Date of Introduction

MIP

S

386

4004

8080

8086 80286

486

Pentium

Pentium ProPentium II

XeonPentium III

La loi de Moore est suiviex2 tous les 2 ans

14

Fréquence d'horloge des Microprocesseurs

P6Pentium ® proc

48638628680868085

8080800840040.1

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010Year

Freq

uenc

y (M

hz)

Double tous les2 ans

S. Borkar

15

Consommation

Courtesy S. Borkar, Intel

5KW

18KW

1.5KW

500W

40048008

80808085

8086286386

486

Pentium® proc

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008

Year

Pow

er (W

atts

)

La puissance par porte (gate) diminue mais

la consommation totale augmente …

16

Succès de la Microélectronique Les raisons?

"Révolution" industrielle possible par:

1. Technologie Si

2. MOSFET

3. Changement d'échelle des composants

4. Technologie de Microfabrication

5. Circuits CMOS

6. "Ingénierie" Circuit (CAD)

17

1. Silicium

• Peu cher et abondant

• Excellentes propriétés mécaniques, chimiques etélectroniques

• L'oxyde natif a une bonne interface avec le Silicium

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2. MOSFETMetal-Oxide-Semiconductor

Field-Effect Transistor

MOSFET = "switch"

•Gain élevé

•Isolation

•Vitesse

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NMOS et PMOS

• MOSFET– Composant avec gain correct, isolation et vitesse

– 2 particularités complémentaires (conduction descharges négatives + conduction des charges positives)

– Facteur d'échelle autorisé (en taille)

20

3. Changement d'échelle du composant

• En 30 ans, la taille typique d'un CI s'est réduite considérablement

– Bardeen, Brittain & Shockley ≈ 75 µm– Travaux actuels ≈ 0.09 µm– Limite dimensionnelle actuelle ≈ 0.05 µm Bardeen,

Brittain & Shockley-1947

First IC-1959

ICs-1980

ICs-1999

End of the road?20XX

21

Courbe de la longueur de Grille

22

Echelle des composantset Interconnexions

100nm Microprocessor350nm Microprocessor

AluminumConductors (5)

OxideDielectric+ CMP (5)+ Etch (6)TungstenPlugs (5)

Transistor

23

Temps de propagation (Grille)

1

10

100

1000

0.1 1 10

Gate length (µm)

Gat

e de

lay

(ps)

• La performance du MOSFET augmente

– Temps de commutation plus court ("distance"moins grande)

– Consommation plus faible

• alors que la taille diminue

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4. Technologie Microfabrication

CourtesyDr. Gary Bronner, IBM

• Fabrication de structures, extrèmement petites précisément et de manière reproductible

• Intégration de composants différents avecune bonne isolation

• Fabrication granndes séries de systèmes complexes forte densité — 108 transistors et association des conducteurs sur Si

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5. Circuits CMOS "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor"

• Interrupteur N-MOSFET actif pour V>0– Décharge de la capacité quand le N-MOSFET est

actif

• Interrupteur P-MOSFET actif pour V<0– Charge de la capacité quand P-MOSFET est actif

• Pas de consommation "DC" (statique)

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6. Ingénierie des Circuits

• Modèle simple au premier ordre basé sur la physique– permet conception analogique et numérique

– permet estimation de l'impact des variations du composant sur les performances du circuit

• Techniques de conception tolerant les fluctuations logiques et diaphonie

• Techiques de conception qui s'adaptent à l'"environnement"– insensible aux variations de fabrications

• Techniques de conception qui minimisent la consommation par porte