Circuitos Integrados Digitales CMOS - Análisis y Diseño
Autor: JULIÁN, Pedro
Páginas: 264
ISBN: 9786076226506
Editorial: Alfaomega
.
Este libro brinda una introducción al diseño de circuitos integrados digitales en tecnología CMOS. Provee una descripción de proceso de microfabricación y de los distintos procesos tecnológicos utilizados en la actualidad. Introduce los modelos de los dispositivos existentes en la tecnología, incluyendo dese interconexiones hasta transistores. Desarrolla circuitos combinacionales, secuenciales, circuitos especiales como memorias RAM y ROM y brinda una breve descripción de otros circuitos lógicos. Los circuitos son analizados eléctricamente, obteniendo características transitorias y de estado estacionario (DC). Se describe la síntesis lógica de compuertas, su diseño físico, el dimensionamiento de los transistores y su impacto en el consumo de potencia. Esta obra cubre todos los aspectos teóricos y prácticos necesarios para un primer curso de diseño de microelectrónica digital. El objetivo es proveer todos los elementos para que el estudiante sea capaz de diseñar y enviar a fabricar su primer circuito integrado.

A partir de los años setenta, la tecnología de circuitos integrados CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), basada en la utilización de transistores MOS superó a la tecnología basada en transistores bipolares integrados. Desde ese momento, la tecnología CMOS se convirtió en el pilar del diseño de circuitos integrados tanto analógicos como digitales. Los contenidos curriculares de las carreras de ingeniería electrónica en los países líderes en diseño electrónico se adaptaron a la nueva tecnología.

Ventajas

Esta obra tiene como objetivo central el proveer el material básico, en español, para la enseñanza inicial de diseño en microelectrónica y para lograrlo, se basa en más de diez años de experiencia en el dictado de las materias «Dispositivos Semiconductores» y «Análisis y Diseño de Circuitos Digitales»,

También, refleja las experiencias en la enseñanza sobre circuitos integrados obtenidas a través de los cursos de la Escuela Argentina de Micro-Nanoelectrónica, Tecnología y Aplicaciones (EAMTA), llevada a cabo desde el año 2006 hasta la fecha.

Conozca

El proceso de microfabricación así como los pasos necesarios para fabricar un circuito integrado, desde el diseño inicial de una máscara.
Los modelos para los dispositivos a utilizar (desde interconexiones hasta transistores MOS).
Aprenda

Cuáles son los procesos tecnológicos y sus principales características.
Sobre diseño físico de compuertas, tanto básicas como complejas, y se introduce el concepto de celda
estándar
Desarrolle sus habilidades para:

Diseñar y enviar a fabricar un circuito integrado de prueba.
.
CONTENIDO
Mensaje del editor IX
Sobre el autor XI
Prefacio XIX
1. Microfabricación y tecnología 1
1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. El proceso de fabricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1. Litografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1.1. El proceso fotolitográfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1.2. Remoción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1.3. Máscaras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2. Oxidación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2.1. Factores externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3. Introducción de dopantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.3.1. Difusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.3.2. Implantación de iones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.4. Deposición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.4.1. Evaporación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.4.2. Sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.4.3. Deposición química de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.4.4. Epitaxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.5. Procesos simplificados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.5.1. Fabricación de un resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.5.2. Fabricación de un transistor NMOS . . . . . . . . . . . . . 20
1.3. Reglas geométricas de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4. Procesos tecnológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1. Proceso P-well . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.2. Proceso Twin-tub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.3. Silicio sobre aislante (SOI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.4. Inclusión de transistores bipolares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
XIV Índice general
1.4.5. Procesos 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.5. Fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.5.1. Rendimiento o yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.5.2. Márgenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2. Dispositivos 39
2.1. Interconexiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.1. Capacidades parásitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.2. Resistencias parásitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.3. Inductancias parásitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.1.4. Modelos de conductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.1.4.1. Modelos de parámetros concentrados . . . . . . . . . . . . 45
2.1.4.2. Modelos de parámetros distribuidos . . . . . . . . . . . . . 46
2.2. La juntura semiconductora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.1. Comportamiento de DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.2. Modelo lineal incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.3. Modelo de AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.3.1. Capacidad en inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.3.2. Capacidad en directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3. El transistor MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.1. Modelo de DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3.1.1. NMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3.1.2. PMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.2. Modelo lineal incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.3. Modelo de AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.3.3.1. Capacidad de gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.3.3.2. Capacidad de junturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3.3.3. Capacidad de solapamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3. Circuitos de lógica combinacional CMOS 67
3.1. Conceptos preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1.1. El transistor como llave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2. Compuertas lógicas CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.1. Descripción conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1.1. La compuerta inversora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1.2. La compuerta NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.1.3. La compuerta NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.1.4. Compuertas de paso y transmisión . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.1.5. Inversor de tres estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2. Características de DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.2.1. La compuerta inversora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.2.2. La compuerta NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2.2.3. La compuerta NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.2.2.4. Compuertas de paso y transmisión . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.2.4.1. Transistor NMOS de paso . . . . . . . . . . . . . 95
Alfaomega Circuitos Integrados Digitales CMOS | Pedro Julián
XV
3.2.2.4.2. Transistor PMOS de paso . . . . . . . . . . . . . 96
3.2.2.4.3. Compuerta de transmisión . . . . . . . . . . . . 98
3.2.3. Compuertas complejas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3. Otros estilos lógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.1. Lógica pseudo-nMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.2. Lógica dinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.3.3. Lógica de compuertas de paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.3.3.1. Lógica complementaria de transistores de paso (CPL) . . . 111
4. Diseño físico de compuertas 113
4.1. Diagramas a mano alzada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2. Compuertas básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2.1. El inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2.2. Compuertas NAND y NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.2.3. Compuertas de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.3. Compuertas complejas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.3.1. Metodología de caminos de Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.3.2. Metodología de Weinberger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.3. Celdas estándar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4. Buenos hábitos de layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5. Dinámica de circuitos combinacionales 127
5.1. Tiempos de transición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.1.1. Transiciones de entrada no inmediatas . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.1.2. El transistor como un resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.1.3. Cómputo de capacidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.1.3.1. Capacidad de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.1.3.2. Capacidad de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2. Compuertas CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.1. La compuerta inversora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.2. La compuerta NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2.3. La compuerta NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3. Dimensionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3.1. Cadena de inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.1.1. Elección del número de etapas . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.2. Efecto de ramificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.4. Disipación de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4.1. Disipación estática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4.2. Disipación dinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.4.3. Disipación por corriente de cortocircuito . . . . . . . . . . . . . . . 161
6. Circuitos secuenciales 165
6.1. Latch y registros estáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.1.1. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.1.2. Requisitos temporales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Circuitos Integrados Digitales CMOS | Pedro Julián Alfaomega
XVI Índice general
6.1.2.1. Registros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.1.2.2. Latch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.1.3. Regeneración y biestabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.1.3.1. Propiedad regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.1.3.2. Principio de biestabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.1.4. Implementaciones CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.1.4.1. Latch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.1.4.2. Registro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.1.4.2.1. Señales de reloj no ideales . . . . . . . . . . . . 180
6.1.4.3. Flip-flop SR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2. Memorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.2.1. Memorias ROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2.2. Memorias RAM estáticas (SRAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.2.2.1. Operación de lectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.2.2.2. Operación de escritura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.2.3. Memorias RAM dinámicas (DRAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.2.3.1. Celda 3T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.2.3.2. Celda 1T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.2.4. Decodificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.2.4.1. Decodificadores de fila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.2.4.2. Decodificadores de columna . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.3. Circuitos no biestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.3.1. Osciladores o astables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.3.2. Circuitos monoestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.3.3. Circuito disparador de Schmitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
A. Método de Elmore 209
B. Flujo de diseño 211
C. Aspectos prácticos 213
C.1. Conexiones externas: Pads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
C.2. Latch-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
C.3. Conexiones internas: alimentación y reloj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
C.3.1. Alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
C.3.2. Reloj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
D. Modelos de SPICE 223
D.1. Fuentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
D.1.1. Fuentes independientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
D.1.2. Fuentes dependientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
D.2. Dispositivos pasivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
D.2.1. Resistencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
D.2.2. Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
D.2.3. Inductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Alfaomega Circuitos Integrados Digitales CMOS | Pedro Julián
XVII
D.2.4. Inductores mutuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
D.3. Dispositivos semiconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
D.3.1. Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
D.3.2. Transistores bipolares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
D.3.3. Transistores MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
D.3.3.1. Modelo de Nivel 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
D.3.3.2. Modelos de Nivel 2 y 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
D.3.3.3. Modelo de Nivel 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230