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1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ivan Peric

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Präsentation zum Thema: "1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ivan Peric"—  Präsentation transkript:

1 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ivan Peric

2 2Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs CMOS Technologie MOS Transistor Verstärker Rückkopplung AC Analyse Verstärkervarianten Getaktete Verstärker (switched Caapcitor Circuits) ADCs Filter Komparatore

3 3Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analoge Elektronik - Aufgaben Design von Sensoren Verstärkern und Filtern ADCs Logikzellen Empfänger, Sender Speicher FilterADC Verstärker DSP S E L Sensor

4 4Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AE (4) Digitales Design: Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Leistungsverbrauch Analoges Design: Kompromiss zwischen Geschwindigkeit, Leistungsverbrauch, Genauigkeit (z.B. Linearität, Verstärkung), Versorgungsspannung… Analoge Schaltungen sind viel empfindlicher gegenüber Übersprechen und Rauschen Analogdesign kann nur schwer automatisiert werden Unterschiedliche Ebenen von Abstraktion B A G D S Transistor PMOS VerstärkerSystem

5 5Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Silizium (15% der Erde) SiO 2 – einer der besten bekannter Isolatoren -(GaAs ICs benutzen Si 3 N 4 oder reines GaAs als Isolator) (GaAs – bessere Mobilität, Rauschen, Lichtdioden…) Atomen freie Elektronen – Dotierungsatomen in cm 3 Si Reines Material wird benutzt (1/10 6 ) 1) Chemische Medoden: Rohsilizium –> HSiCl 3 (Trichlorsilan) -> Destillierung -> T -> Si -> (Polykristall - Solarsilizium) Si (Siemens Prozess) 2) Poly Si wird geschmolzen + P-Dotierung. Impfkristall wird in die Schmelze gebracht und unter Drehen hinausgezogen -> Verunreinigungen bleiben in der Schmelze (Stoffe neigen möglichst rein zu kristallisieren) -> Si Kristall (Halbleitersilizium) -> Wafers werden gesägt (Czochralski Prozess) Technologie HCl HSiCl 3 Rohsilizium Solar Si Reines Halbleitersilizium 1) 2) 3)

6 6Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Technologie Front-End Prozesse – Erzeugung von Transistoren Deponierung von Dotierungssubstanzen, Oxidation, Isolierung von Transistoren Back-End Prozesse – Erzeugung von Metalllagen (Al, Cu), Isolatorlagen (SiO2, Glas), Via Löcher (Wolfram). Photolithographie Schritte: Polymer Photolack wird aufgebracht Stepper wird benutzt: Reticle-Dia mit 5X Verkleinerung mittels UV Licht (200 nm) wird projiziert. Photolack wird belichtet, belichtete Stellen härten NaOH wird benutzt, Photolack durch Ätzung entfernt Elektronenstrahllithographie

7 7Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Wafer Epi Lage SiO 2 Si 2 N 3 Photolack Implantation von Diffusionswannen Wafer Epi Lage Wafer Epi Lage SiO 2 Wafer Epi Lage SiO 2 Si 2 N 3 UV Licht Ätzen Ionenimplantation

8 8Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Technologie – Implantation von Diffusionswannen Standard N-Well Prozess mit epi-Lage Wafer (Monokristall) Schritt 1 Epi Lage – ein epitaktisch gewachsene Si Schicht (Monokristall) Schritt 2 Schwachdotierte N- und P-Wannen für P und N-Kanal Transistoren werden erzeugt -Maske ist SiO 2 Oxidation Nitrid wird aufgebracht Photolack Ätzung Ionen (P) werden mit 80KV beschleunigt, Ionenimplantation, Dotierung…

9 9Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Feldoxid SiO 2 Si 2 N 3 Wafer Epi Lage SiO 2 Si 2 N 3 Lack Ätzen H2OH2O Oxidation SiO 2 Anisotropische Ätzung u. Polieren

10 10Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Feldoxid Dickes Oxid (Feldoxid) – Isolierung zwischen Transistoren Maske: SiO 2 + Silizium-Nitrid LOCOS: Lokale feuchte Oxidation: Si + 2H 2 O - > SiO 2 + 2H 2 (Oberfläche nicht eben) STI: Plasma Ätzung – Trench – CVD (Chemical Vapour Deposition) Oxid (benutzt Gas Si(OC 2 H 5 ) 4 ) – Polieren (CMP – Chemical Mechanical Polishing) – ebene Oberfläche – erlaubt mehr Metalllagen.

11 11Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Feldoxid Dickes Oxid (Feldoxid) – Isolierung zwischen Transistoren Maske: SiO 2 + Silizium-Nitrid LOCOS: Lokale feuchte Oxidation: Si + 2H 2 O - > SiO 2 + 2H 2 (Oberfläche nicht eben) STI: Plasma Ätzung – Trench – CVD (Chemical Vapour Deposition) Oxid (benutzt Gas Si(OC 2 H 5 ) 4 ) – Polieren (CMP – Chemical Mechanical Polishing) – ebene Oberfläche – erlaubt mehr Metalllagen.

12 12Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Oxid Epi Lage Oxidation 800° C 0 2

13 13Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Oxid Transistoren (aktive Bereiche) und ohmsche Kontakte sind jetzt isoliert. Der kritischste Schritt – Erzeugung vom Gate – Oxid Trockene thermische Oxidierung (in Sauerstoff Atmosphäre) °C. (Si + O 2 -> SiO 2 ) – 7nm Oxid

14 14Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Oxid Transistoren (aktive Bereiche) und ohmsche Kontakte sind jetzt isoliert. Der kritischste Schritt – Erzeugung vom Gate – Oxid Trockene thermische Oxidierung (in Sauerstoff Atmosphäre) °C. (Si + O 2 -> SiO 2 ) – 7nm Oxid

15 15Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Transistor SiH 4 Chemische Abscheidung Poly-Silizium Photolack Oxidation Ionenimplantation P+ Poly Si thermische Ausheilung

16 16Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Transistor Ganzflächige Abscheidung von Polysilizium – (CVD) (Silan – SiH 4 ). Photolack + Polysilizium wird abgeätzt – Gate Elektroden. Maske deckt die aktive Bereiche ab. Rundumisolierung von Gate Elektroden spacer definiert schwach dotierte Source und Drain As (Arsen) und P (Phosphor) Ionen – n+ Drain, Source, ohmsche Kontakte – Polysilizium Gates dienen als Masken – Prozess ist selbstjustierend (self-aligment) B (Bor) Ionen – p+ Drain, Source, ohmsche Kontakte Thermische Ausheilung – Diffusion von Ionen.

17 17Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Metallisierung (selbstjustierendes Silizid) Poly Si Anisotropische Ätzung Aufbringen gasförmigen Titans Silizierung (TiSi 2 ) Ätzung

18 18Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Transistor Ti wird angebracht – TiSi 2 bildet sich am Silizium – SiO 2 Oberfläche reagiert nicht – Ti wird abgeätzt – (self aligned silicide)

19 19Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Metallisierung Poly Si Aufbringen von SiO2 und Bor-Phosphor-Silikat-Glas Aufbringen von Wolfram Sputtern von Al oder Cu Strukturierung Aufbringen vom Dielektrikum

20 20Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Metallisierung SiO2 und Phosphorglas werden angebracht 1) Via Öffnungen werden gemacht 2) und mit Titan und Wolfram aufgefüllt 3) Polieren 4) Aufbringen von Dielektrikum 5) Sputtern von Al oder Cu 6) Metall wird strukturiert 7) Polieren … Passivierung Die letzte Maske – Öffnungen in Passivierung

21 21Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Metallisierung SiO2 und Phosphorglas werden angebracht 1) Via Öffnungen werden gemacht 2) und mit Titan und Wolfram aufgefüllt 3) Polieren 4) Aufbringen von Dielektrikum 5) Sputtern von Al oder Cu 6) Metall wird strukturiert 7) Polieren … Passivierung Die letzte Maske – Öffnungen in Passivierung

22 MOS Transistor

23 23Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor NN pn verarmt Leitungsband Valenzband Löcher Elektronen Gate SourceDrain

24 24Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Leitungsband Valenzband ElektronenLöcher Valenzelektronen + Donator-Ione Valenzelektronen + Anzeptor-Ione N SiliziumP Silizium

25 25Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ΔEe ΔEh

26 26Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor NN pn verarmt Leitungsband Valenzband Löcher Elektronen Gate SourceDrain

27 27Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor – Gate Spannung pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q q

28 28Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q q

29 29Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor - Inversion pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q 0 q0q0 0 ψ0 ~ 0.85 V n ψ ψ0ψ0

30 30Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor pn Leitungsband Valenzband Elektronen NN NN - q 0 q0q0 0 ψ0 ~ 0.85 V n ψ ψ0ψ0

31 31Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung - Kanal NN NN ψ0ψ0 VG=VT0+ΔV - Δq - q 0 q0+Δqq0+Δq VG=VT0+ΔV pn Leitungsband Valenzband Elektronen

32 32Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung - Kanalladung NN NN ψ0ψ0 VG=VT0+ΔV - Δq - q 0 q0+Δqq0+Δq VG=VT0+ΔV pn Leitungsband Valenzband Q ( q/cm 2 ) Ladung pro Fläche Oxydkapazität pro Fläche

33 33Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung – Drain/Source Bias NN NN Ψ 0 +VS Q ( q/cm 2 ) Ladung pro Fläche Oxydkapazität pro Fläche - Δq - q 0 q0+Δqq0+Δq Vs VG=VT0+ΔV Vs pn Leitungsband Valenzband

34 34Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Spannung – Drain/Source Bias NN NN Ψ 0 +VS Q ( q/cm 2 ) Ladung pro Fläche Oxydkapazität pro Fläche 0 - q 0 q 0 +0 VDSΔVΔV VG=VT0+ΔV ΔVΔV VT pn Leitungsband Valenzband

35 35Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Strom NN NN VGS Vds Vds sehr klein

36 36Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Strom NN NN Vds Querschnitt Ladungsdichte Mobilität E-Feld Breite/Lange des Gates VGS Vds sehr klein

37 37Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Strom NN NN Vds VGS Vds sehr klein

38 38Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Strom NN N N Vds eV ds Vds I VGS

39 39Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Stromsättigung NN N N Vds eV DB VdsVdssat=Vgs-VT Ilim Isat I VT Pinch off VGS

40 40Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Stromsättigung NN N N Vds I VGS

41 41Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Stromsättigung NN N N Vds I VGS

42 42Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Drain Spannung - Stromsättigung NN N N Vds I VGS

43 43Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Stromsättigung NN N N Vds I VGS

44 44Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analyse des Feedbacksystems (Übertragungsfunktion) Passives Netzwerk Passives Netzwerk Feedback Xs XiXi* Xo Signalquelle am EingangAusgang

45 Kleinsignalmodell

46 46Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kleinsignalmodell gmvgs rds vgs 0 + -


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