Programa de la Asignatura TECNOLOGÍA DE DISPOSITIVOS Y

Programa de la Asignatura
TECNOLOGÍA DE DISPOSITIVOS Y COMPONENTES ELECTRÓNICOS Y
FOTÓNICOS
Titulación de Ingeniero en Electrónica. Primer curso
Departamento de Electrónica y Electromagnetismo
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
Curso 2003-2004
A. PROFESORADO
Fernando Medeiro Hidalgo (medeiro@imse.cnm.es)
Profesor Titular de Universidad, Área de Electrónica.
B. RESEÑA METODOLÓGICA
La asignatura “Tecnología de Dispositivos y Componentes Electrónicos y Fotónicos”
se imparte en el primer curso de segundo ciclo de la titulación de Ingeniero en
Electrónica. El tiempo de docencia es de 4 horas semanales durante un curso
completo. La asignatura está dirigida a alumnos familiarizados con los principios
básicos de operación de los dispositivos electrónicos, con sus modelos circuitales y
con su uso como amplificadores, transconductores y conmutadores. Esta asignatura
presupone también que el alumno conoce los conceptos básicos para el análisis de
circuitos lineales e invariables en el tiempo.
El objetivo de la asignatura es profundizar y avanzar en el conocimiento de los
dispositivos electrónicos usados para procesamiento de señales, con especial énfasis
en los utilizados en circuitos microelectrónicos y prestando atención a los fenómenos
de segundo orden debidos al escalado tecnológico. También se cubrirán los
dispositivos usados para detección y transducción de señales con distinto soporte
físico (luz, presión, etc.), con énfasis especial en dispositivos optoelectrónicos y en
microsensores. Finalmente la asignatura incluirá una introducción a los dispositivos
de potencia y de microondas.
El tratamiento de la asignatura rehuirá la solución detallada de las ecuaciones
asociadas a la física de los dispositivos, y se concentrará, por contra, en la descripción
de sus comportamientos; aunque sin renunciar a comprender los mecanismos básicos
del funcionamiento de los dispositivos.
Los contenidos de la asignatura se ilustrarán en clase mediante circuitos sencillos pero
significativos (amplificadores, amplificadores diferenciales, inversores lógicos y
celdas de memoria) y mediante prototipos físicos realizados por el profesorado.
Durante el segundo cuatrimestre se propondrá la realización de prácticas de
laboratorio, individualmente o por grupos de dos alumnos. La asistencia a dichas
prácticas es obligatoria para aprobar la asignatura.
C. EVALUACIÓN Y CALIFICACIÓN
La evaluación de la asignatura consistirá fundamentalmente en la realización de un
ejercicio escrito al final del periodo lectivo. El ejercicio contendrá preguntas teóricas
y problemas prácticos. La asignatura se superará así mismo aprobando los dos
exámenes parciales, pudiendo los alumnos interesados presentarse al examen final de
junio para subir nota. Los alumnos que hayan superado un parcial eliminarán dicha
materia para el examen final de junio del curso académico que corresponda. El
examen de septiembre y otras convocatorias oficiales será único para todos los
alumnos.
La superación de los trabajos prácticos está supeditada a la entrega una memoria detallada de los resultados obtenidos, y los alumnos podrán ser entrevistados por el
profesor para su discusión. Este trabajo podrá aumentar la nota final de la asignatura
siempre y cuando se haya superado el ejercicio escrito.
D. PROGRAMA
PARTE I: DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
TEMA 1: Componentes Pasivos.
Conocimientos previos: Nociones sobre la fabricación de circuitos integrados y
propiedades de la unión PN.
•
Resistores. Resistor lineal. Dependencia con la temperatura. No linealidad.
Tolerancias. Resistores integrados depositados, difundidos y de canal. Parásistos.
Apareamiento. Resistores integrados avanzados.
•
Condensadores. Condensadores lineales. Dependencia con la temperatura. No
linealidad. Tolerancias. Condensadores integrados depositados, depositadosdifundidos, y MOS. Parásitos. Apareamiento. Condensadores integrados avanzados.
•
Bobinas. Bobinas Integradas. Estructura, Parásitos y Aplicaciones. Estructuras
avanzadas para bobinas integradas.
TEMA 2: Teoría Básica del Transistor MOSFET.
Conocimientos previos: Propiedades de la estructura metal-óxido-semiconductor y de
las uniones PN.
•
Estructura y funcionamiento cualitativo. Estructura física y terminales.
Transistores NMOS y PMOS. Símbolos. Principio de funcionamiento y regiones de
operación. Justificación cualitativa de las características intensidad-tensión en
inversión.
•
Modelo estático del MOSFET. Modelo de lámina de carga para el cálculo de la
intensidad de drenador: movilidad en el canal, corrientes de arrastre y difusión.
Aproximación de canal gradual. Características intensidad-tensión en inversión fuerte:
transición óhmica-saturación. Características i-v en inversión débil. Transición débilmoderada- fuerte. Modelos simplificados. Tensión Early equivalente. Continuidad en
las transiciones.
•
Tensión umbral. Efecto substrato. Control de la tensión umbral. Transistores de
empobrecimiento y enriquecimiento.
TEMA 3:
Modelado del Comportamiento Dinámico del MOSFET
•
Modelo de pequeña señal. Parámetros del modelo en inversión débil y fuerte:
transconductancias de puerta y de substrato; conductancia de salida; capacidades
intrínsecas. Elementos extrínsecos del modelo. Circuito equivalente en pequeña señal
y límites de validez. Respuesta en frecuencia. Modelo alta frecuencia: efectos no cuasiestáticos. Modelo general e inversión moderada.
•
Modelo dinámico de gran señal. Modelo cuasiestático de carga. Modelo de Meyer.
Conservación de la carga. Modelo Ward-Dutton. Modelo Yang-Epler-Chatterjee.
Tiempo de transito y límites del modelo cuasiestático. Modelo no cuasiestático.
•
Figuras de mérito del MOSFET. Densidad de integración. Frecuencia de transición.
Relaciones potencia-retraso y ancho de banda/potencia en inversores CMOS.
Comparación con el BJT.
TEMA 4:
Conocimientos Avanzados sobre el MOSFET
Fenómenos de Segundo Orden
•
Degradación de la movilidad. Dependencia con el campo vertical: movilidad
efectiva. Dependencia con la temperatura. Dependencia con el campo tangencial:
saturación de la velocidad de los portadores.
• Variaciones de la tensión umbral. Influencia de las dimensiones en la tensión
umbral y el efecto substrato. Dependencia con la temperatura. Dependencia con la
tensión drenador-fuente. “Puchthrough”.
• Parásitos. Resistencias de drenador y fuente. Resistencia de puerta. Capacidades
parásitas de unión y de solapamiento. Efecto de transistores bipolares parásitos en
procesos CMOS. “Latch-up”.
• Efectos debidos a campos elevados. Ionización de impacto y ruptura por avalancha.
Efecto túnel “banda a banda”. Efecto túnel en el óxido. Portadores calientes. Corriente
de fuga inducida por la puerta. Ruptura del óxido.
Técnicas de Layout en CI’s CMOS de Señal Mixta
•
Circuitos integrados CMOS de señal mixta. Concepto. Ejemplos. Requerimientos
de las entrefases. Escenario tecnológico: submicrométrico, baja tensión, procesos
digitales. Escenarió eléctrico: interferencias, crosstalk, parásitos, ruido en las
alimentaciones y en el substrato. Posibles soluciones.
• Técnicas de Layout. Requerimientos del Layout. Layout de bloques: Transistores,
condesadores, resistores, bobinas. Técnicas de apareamiento.
• Reducción de interferencias en CIs CMOS. Mecanismos de interferencias:
crosstalk, ruido en el substrato, ruido en las alimentaciones. Técnicas de
apantallamiento. Mecanismos de inyección, propagación y recepción del ruido en el
substrato. Modelos asociados. Tipos de obleas. Factores que afectan al ruido y
reducción de su impacto. Técnicas de polarización de bloques y substratos.
Aspectos Tecnológicos
•
Escalado tecnológico. Definición y vínculo con los efectos de segundo orden.
Parámetros implicados en la miniaturización: profundidad de las uniones, espesor del
óxido y anchura de las regiones de empobrecimiento. Ejemplos: Reducción del efecto
punch-through. Reducción del campo eléctrico: drenador graduado y LDD.
• MOSFETs avanzados. Estructura del MOSFET submicrométrico. Aislamiento y
compatibilidad con estructuras bipolares: tecnologías SOI y BiCMOS. Ventajas e
inconvenientes. Tecnologías experimentales: Sobredisparo de la velocidad de los
portadores. MOSFET de Si o SiGe tensionados. Enfriamiento.
TEMA 5:
Modelos de SPICE del MOSFET: Parámetros y su Medida.
•
Modelo de NIVEL 1. Modelo para la intensidad de drenador. Modelo de carga.
Parámetros del modelo.
•
Modelos de NIVEL 2 y 3. Modelo geométrico para las cargas en la estructura del
MOSFET. Inclusión de efectos de segundo orden. Ecuaciones para la intensidad de
drenador en inversión fuerte y débil. Deficiencias del modelo de NIVEL 2: modelo
semi-empírico de NIVEL 3. Ecuaciones para la degradación de la movilidad y
saturación de la velocidad de los portadores. Dependencias con la temperatura.
Modelo de carga. Parámetros de los modelos.
•
Modelos avanzados. Filosofía de los modelos de segunda generación: BSIM,
HSPICE Level 28 y BSIM. Parámetros de los modelos: parte intrínseca y parte
dependiente de la geometría. Modelo BSIM. Filosofía de los modelos de tercera
generación: BSIM3 y “MOS Model 9”. Funciones de “smoothing”. Tendencias en el
modelado del MOSFET: modelos Power-Lane, PCIM y EKV
•
Medida y extracción de parámetros. Medida de parámetros en el NIVEL 1. Medida
de parámetros de los modelos de NIVEL 2 y superiores: técnicas de “binning”.
Extracción de la dependencia geométrica.
•
Modelos estadísticos. Parámetros de peor caso. Desapareamiento de dispositivos.
TEMA 6: Transistores JFET, MESFET.
Conocimientos previos: Propiedades de las uniones PN y de las uniones metalsemiconductor.
•
Transistores de efecto campo de puerta no aislada. Estructura física y terminales
del MESFET y JFET. Símbolos. Principio de funcionamiento. Fabricación y
aplicaciones.
•
Transistor de efecto campo metal-semiconductor. Obtención de la característica
intensidad-tensión. MESFET de enriquecimiento y empobrecimiento. Efectos no
ideales. Modelos dinámicos de gran señal y pequeña señal. Tiempo de tránsito y
frecuencia de transición. Modelos de SPICE. Comparación con el MOSFET. El
transistor de base permeable (PBT).
•
Transistor de efecto campo de unión. JFET de canal n y canal p. Modelos estáticos.
Efectos no ideales. Modelos dinámicos de gran y pequeña señal. Modelo de SPICE.
TEMA 7: Transistores de Efecto Campo Avanzados.
•
Conceptos avanzados. Limitaciones de los transistores convencionales. Miniaturización. Mezcla de tecnologías. Nuevos materiales. Nuevos principios de operación.
Dispositivos avanzados.
•
Transistores de efecto campo con heteroestructura (HFET). El transistor de alta
movilidad de electrón (HEMT o MODFET): Estructura y principio de operación;
Modelo de control de carga. Características intensidad-tensión. Otros FETs con heteroestructura.
TEMA 8: Estructura y Operación del BJT.
Conocimientos previos: Propiedades básicas de los semiconductores y ecuaciones
relacionadas. Teoría de la unión PN.
•
Acción de transistor. Estructura del transistor prototipo. Funcionamiento cualitativo.
Ecuación de la acción de transistor. Diagrama de bandas de energía, potencial y campo
electrostático. Regiones de operación. Estructura del transistor real.
•
Polarización en Activa Directa. Numero de Gummel. Cálculo de la intensidad de
base: eficiencia de emisor y factor de transporte de la base. Ganancia en intensidad.
Efecto Early.
•
Modelo de Ebers-Moll. Correspondencia entre el modelo de Ebers-Moll y la acción
de transistor. Reciprocidad. Simplificaciones del modelo para las distintas regiones de
operación. Modelos derivados del modelo de Ebers-Moll. Características intensidadtensión.
TEMA 9: Fenómenos de Segundo Orden en el BJT.
•
Variaciones de la beta. Dependencia con la temperatura. Dependencia con la tensión
base-colector. Efectos de baja inyección: generación-recombinación en las regiones de
empobrecimiento. Alta inyección en la base. Efecto Kirk. Resistencia de base:
empaquetamiento de la corriente de base.
•
Ruptura de la uniones. Ruptura por avalancha o Zener de la unión base-colector.
Ruptura por “punchthrough”. Ruptura térmica. Características intensidad-tensión con
ruptura. Ruptura de la unión base-emisor.
•
El BJT integrado. Transistor vertical npn. Transistor vertical y lateral pnp. Dopados
no uniformes: Ingeniería del BJT. Parásitos: Resistencias de emisor, base y colector.
Capacidades de la uniones base-emisor, base-colector y colector-substrato.
TEMA 10: Modelado del Comportamiento Dinámico en BJTs.
•
Modelo de pequeña señal. Transconductancia. Capacidad de difusión de la base.
Resistencias de entrada y salida. Resistencia base-colector. Elementos extrínsecos del
modelo. Modelo híbrido en π. Respuesta en frecuencia.
•
Modelo dinámico de gran señal. Relaciones entre cargas e intensidades. Tiempos de
tránsito. Modelo de control de carga. Respuesta a una entrada escalón: transitorios
“turn- on” y “turn-off”. Transistor Schottky.
•
Figuras de mérito del BJT. Frecuencia de transición. Máxima frecuencia de
oscilación. Retraso de puerta. Potencia-retraso y ancho de banda/potencia en
inversores BJT.
TEMA 11: Modelos de SPICE para el BJT: Parámetros y su Medida.
•
Modelo de Ebers-Moll. Modelo estático. Modelos dinámicos de gran y pequeña
señal. Implementación en SPICE. Parámetros del modelo.
•
Modelado de los efectos de segundo orden. Modelos de Gummel-Poon estático y
dinámico. Parámetros del modelo. Inclusión de la dependencia con la temperatura y las
dimensiones.
•
Medida y extracción de parámetros. Medida de parámetros estáticos. Medida de
parámetros dinámicos. Técnicas de ajuste de parámetros.
TEMA 12: Transistores Bipolares Avanzados.
•
Optimización del BJT. Optimización del BJT para circuitos digitales. Optimización
del BJT para circuitos analógicos. Limitaciones de la tecnología bipolar estandar.
•
Transistor bipolar de heterounión. Diagrama de bandas. Efectos sobre la beta y la
frecuencia de transición. Materiales.
•
Estructuras avanzadas para transistores bipolares. Aislamiento por trinchera.
Emisor de polisilicio. Contacto a base con polisilicio autoalineado. Colector con
pedestal. Base de Si-Ge.
TEMA 13: Ruido en Dispositivos Electrónicos
•
Descripción del ruido. Fuentes de ruido: Térmico, Flicker, Disparo, Ráfaga.
Caracterización y medida.
•
Modelos de ruido para los dispositivos. Modelo para resistores. Modelo para
diodos. Modelo para BJTs. Modelo para FETs. Modelos de SPICE.
•
Ruido en circuitos electrónicos. Análisis de Circuitos Lineales con Fuentes de
Ruido. Ruido Equivalente a la Entrada. Comparación de BJTs y FETs en base al ruido.
PARTE II: DIPOSITIVOS FOTÓNICOS
TEMA 14: Magnitudes Radiométricas y Fotométricas
•
Radiometría. Magnitudes radiométricas. Denpendencia espectral. Teorema de la
radiancia. Fuentes lambertianas.
•
Fotometría. Magnitudes fotométricas y sus unidades. La visión humana. Respuesta
espectral. Relaciones entre magnitudes radiométricas y fotométricas.
TEMA 15: Dispositivos Fotodetectores
Conocimientos previos: Fundamentos de física cuántica. Propiedades ópticas de los
semiconductores.
•
Propiedades de los fotodetectores. Repaso de los mecanismos de absorción óptica
en semiconductores. Relaciones entre coeficiente de absorción, irradiancia y razón de
generación de portadores. Respuesta y eficiencia cuántica. Respuesta espectral:
modulo y fase. Ruido en el proceso de detección: ancho de banda equivalente.
•
Fotoconductores. Fotoconductores intrínsecos y extrínsecos. Modelo para la fotocorriente: ganancia del fotoconductor. Mecanismos de ruido en semiconductores.
Relación señal-ruido.
•
Detectores fotovoltaicos. Fotocorriente en una unión PN. Aplicación a la celda solar.
Consideraciones sobre materiales y diseño de celdas solares. Celdas solares de silicio
amorfo.
•
Dispositivos fotosensores. El fotodiodo y su modelo. Fotodiodo P-I-N. Fotodiodo de
avalancha (APD). Fototransistor. Fotodiodo de barrera Schottky. Ruido y límites de
detección. Fotosensores avanzados: Estructuras fotosensoras en tecnologías CMOS.
Fotosensores de pozo cuántico y de barrera modulada.
TEMA 16: Dispositivos Fotoemisores: El Diodo Emisor de Luz (LED)
Conocimientos previos: Fundamentos de física cuántica. Propiedades ópticas de los
semiconductores.
•
Dispositivos fotoemisores. Electroluminiscencia. Pantallas de cristal líquido. Diodos
emisores de luz y diodos láser.
•
Estructura y operación del diodo emisor de luz (LED). Inyección de portadores,
emisión espontánea y eficiencia de la inyección. Eficiencia cuántica interna y
eficiencia cuántica total. Eficiencia cuántica externa.
•
Características del LED. Característica potencia óptica-intensidad. Pureza espectral.
Respuesta temporal. Dependencia con la temperatura.
•
Estructuras avanzadas para LEDs y aplicaciones. LEDs de heterounión. LEDs de
emisión superficial. LEDs para displays: materiales y propiedades. LEDs de infrarrojo
para comunicaciones ópticas: optoaisladores. Necesidad del diodo láser.
TEMA 17: El Diodo Láser
Conocimientos previos: Fundamentos de física cuántica. Propiedades ópticas de los
semiconductores.
•
Emisión láser. Emisión espontánea frente a emisión estimulada. Cavidad óptica.
Ganancias y pérdidas en la cavidad óptica. Condición de transparencia y umbral láser.
•
Características de diodos láser: Intensidad umbral. Pureza espectral. Respuesta
temporal y respuesta en frecuencia. Dependencia con la temperatura.
•
Consideraciones de diseño y estructuras avanzadas. Diseño para baja intensidad
umbral, pureza espectral y alta velocidad de operación. Láser de doble heteroestructura
(DHLD). Láser de pozo cuántico
TEMA 18: Introducción a los Sistemas de Comunicación Óptica
•
Dispositivos de modulación y amplificación. Moduladores ópticos: moduladores
electro-ópticos y de electroabsorción. Llaves ópticas. Amplificador láser:
amplificación de pulsos ópticos.
•
Sistemas de comunicación óptica. Descripción y propiedades: capacidad del canal.
Propiedades de las fibras ópticas: Estructura. Pérdidas. Ángulo de aceptación y
apertura numérica. Dispersión. Atenuación y requerimientos del detector. Sistemas
coherentes.
PARTE III: OTROS DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
TEMA 19: Dispositivos de Carga Acoplada (CCD)
Conocimientos previos: Propiedades de la estructura metal-óxido-semiconductor y de
las uniones PN.
•
Estructura y principio de operación. El concepto de transferencia de carga y su eficiencia. Análisis de la operación básica. Estructuras multi-fase. Estructura de entrada y
salida. El CCD de canal enterrado.
•
Efectos no ideales. Ineficiencia. Efecto de la corriente oscura. Ruido.
•
Aplicaciones. Procesado de señal. Captación de imágenes con CCDs.
TEMA 20: Dispositivos de Potencia y de Microondas
•
Dispositivos de potencia. Características específicas. Aplicaciones. Amplificación y
control.
•
La familia tiristor. Rectificador controlado de silicio (SCR). El triac. Estructura y
características intensidad-tensión. Modelo de dos transistores. Efectos no ideales.
•
El transistor bipolar de potencia. Geometría y dopados típicos. Requerimientos
para operación con altas tensiones e intensidades. Estructura Darlington.
•
El transistor MOS de potencia. Caracterísiticas especiales del MOSFET de
potencia. El MOSFET doble difundido (DMOS): estructuras verticales (VMOS) y
laterales (LDMOS).
•
Dispositivos de muy alta frecuencia. Requerimientos para aplicaciones de
microondas. Dispositivos de dos y tres terminales.
•
Dispositivos de dos terminales. Corriente por efecto túnel en un diodo de unión PN.
Diodo Esaki: Características intensidad-tensión y circuito equivalente. Otros diodos de
efecto túnel: Diodo túnel de super-estructura y diodo túnel resonante. Dispositivos de
avalancha: IMPATT, TRAPATT y BARITT. Dispositivos de transferencia de electrón
(TED). Varactores y SRDs.
•
Dispositivos de tres terminales. Transistores bipolares de microondas. Transistores
de efecto campo de microondas
TEMA 21: MicroSensores: Características y Fabricación
Conocimientos previos: Nociones sobre la fabricación de circuitos integrados.
•
Sensores y microsensores. Clasificación. Características ideales y limitaciones
prácticas. Respuesta, ganancia y sensibilidad.
•
Técnicas de fabricación. Materiales. Construcción de micromáquinas: micromecanizado de substrato y micromecanizado superficial. Técnicas especiales de
procesamiento para microsensores.
TEMA 22: Microsensores: Dispositivos
•
Sensores térmicos. Relaciones básicas en termometría. Termopares y termopilas.
Termometría basada en el ruido. Termoresistores y termistores. Termodiodos y
termotransistores. Termostatos.
•
Sensores de radiación. Detectores de partículas nucleares y radiación de alta energía.
Fotosensores UV-NIR. Detectores de infrarrojo. Detectores de microondas.
•
Otros dispositivos sensores. Sensores mecánicos. Sensores magnéticos. Sensores
(bio)químicos.
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