Mikroelektronika

1. hét         Áttekintés a mikroelektronikáról, mint az egyik legnagyobb fejlődést mutató iparágról. A Moore törvény, international technology roadmap, a fejlődés korlátai. Mikroelektronika és mikroelektronikai technológia alapfogalmai. A mikroelektronikai gyártástechnológia fő vonásai: rétegleválasztás / növesztés, adalékolás, mintázat kialakítása (fotolitográfia, marás). A layout és a maszk fogalma. A tiszta tér fogalma. Milyen egy IC gyár?

2. hét         More than Moore integráció (SoC, SiP, Stacked Die, SoP, CSP, stb.). Csíkszélesség, lapkaméret, egy chipre integrált tranzisztorok száma, órajel, disszipáció és integrált magok/funkciók változása azt elmúlt években. Disszipációs korlát, alkalmas hűtőeszközök.

3. hét         Egykristály szilícium előállítás, alapvető technológiai lépések és jellemzőik (epitaxiális rétegnövesztés, oxidnövesztés, vékonyréteg leválasztás technológiája, adalékolás diffúzióval és ionimplantációval), modern fotolitográfia (immerziós, többszörös leképzés, fázisérzékeny, elektronsugaras, Deep UV, EUV).

4. hét         A félvezető eszközök fizikájának alapjai: sávszerkezet, töltéshordozók a tiszta és az adalékolt félvezetőkben, generáció és rekombináció. Áramok a félvezetőkben. Hőmérsékletfüggés. Folytonossági és diffúziós egyenletek.

5. hét         A dióda, mint a legegyszerűbb félvezető eszköz. Elektrosztatikus viszonyok a pn átmenetben, a kiürített réteg. A pn átmenet egyenáramú karakterisztikája. Generációs és rekombinációs áram, nagy áramsűrűségű jelenségek. A kisjelű működés fogalma, a pn átmenet differenciális ellenállása.

6. hét         Tértöltési és diffúziós kapacitás. Záróirányú feléledés. Diódák modellezése áramkör-szimuláció (SPICE) számára: modell topológia, modellegyenlet, modell paraméterek. Fotodiódák, napelemek, LED/OLED eszközök. A pn átmenet hőmérsékletfüggése.

7. hét         A bipoláris tranzisztor felépítése és működése, hatásfokok, nagyjelű áramerősítési tényezők. Másodlagos hatások figyelembevétele. Modellezés SPICE jellegű áramkörszimuláció számára. Kisjelű modellek. Diszkrét és integrált kivitelű bipoláris tranzisztorok. A bipoláris tranzisztorok szerepe a mai IC-kben (pl. BiCMOS áramkörök).

8. hét         Térvezérlésű tranzisztorok fajtái: a záróréteges FET (JFET) és a MOSFET-ek. Az unipoláris működés lényege, a működés fizikai alapja. A térvezérlésű tranzisztorok teljes családja. JFET eszköz elzáródási feszültség fogalma és karakterisztikaegyenlete és karakterisztikái.

9. hét         A MOS struktúra tulajdonságai. Akkumuláció, kiürítés, inverzió, küszöbfeszültség. A MOS tranzisztor karakterisztikája. Kapacitások. MOS tranzisztorok SPICE szimulációs modellje (topológia, paraméterek). A legegyszerűbb MOS gyártástechnológia lépései, maszk készlete. MOS kapacitás alkalmazása. CCD és CMOS képérzékelő szenzorok felépítése, működése, fejlődése az elmúlt évtizedekben. Modern képérzékelő eszközök.

10. hét      Modern CMOS technológia. MOS FET tranzisztorokban fellépő másodlagos hatások (küszöb alatti áram, sebességtelítődés, csatornarövidülés, átszúrás, forró elektron effektus), valamint azok csökkentése/elkerülése érdekében tett technológiai lépések (SOI, feszített szilícium, HALO, LDD, stb.). Modern MOS FET tranzisztor felépítése (TriGate, GateAllAround), a fejlődés további motivációs tényezői, kitekintés a jövőbe.

11. hét      Mikroelektronikai gyártástechnológia és áramköri kapcsolástechnika fogalma és kapcsolata. VLSI áramkörökben alkalmazott logikai áramköri családok (nMOS, CMOS, SCL, BiCMOS, stb.). Logikai alapkapuk nMOS kivitele (áramkör, layout). A duális áramkör fogalma, logikai alapkapuk CMOS kivitele. Időzítési paraméterek, terhelő kapacitások; az IC vezetékek tulajdonságai: sokrétegű vezetékezés struktúrák. A CMOS inverter felépítése, jellemzői (jelterjedés, fogyasztás, küszöb alatti áram). CMOS kapuk, tároló elemek. Digitális CMOS áramkörök fogyasztása, melegedése, ennek vizsgálata logi-termikus szimulációval.

12. hét      Transzfer kapu és MOS-FET kapcsoló összehasonlítása. Transzfer kapus kapcsolások. Dinamikus CMOS áramkörök felépítése, tulajdonságaik. Egyfázisú, többfázisú dinamikus logikák. C2MOS kapcsolás. Domino logikák (pipeline struktúrák). Vezetékezés, összeköttetés hatásai, modellezése (koncentrált, elosztott, távvezeték). Elmore modell. Puffer és ismétlő áramkörök. A késleltetés fizikai magyarázata statikus CMOS áramkörök esetén. Wire-load modell. Modern vezetékezés, low-K anyagok alkalmazása. Összeadó és szorzó architektúrák.

13. hét      Számítógép architektúrák memória hierarchiája. CPU regiszterek típusai. Flip-Flop/latch áramkörök. CMOS tároló kapcsolások (statikus RS, dinamikus MS T, felhasított D, transzferkapus kvázistatikus és statikus D, kvázistatikus C2MOS latch, stb.) Időzítési kérdések szinkron sorrendi hálózatokban (setup-time, hold-time, propagation delay, slack time, skew, stb.). Órajelelosztó hálózatok, órajel elcsúszás (pozitív, negatív), globális adatút (pipe-line alapok).

Az IC tervezés és gyártás néhány globális problémája. Kihívások a tervezés kapcsán. Virtual prototyping fogalma. Az IC tervezés és gyártás különböző költségfaktorai: darabszám arányos, egyszeri költségek (NRE). Optimális megvalósítási módszer választása. MPW/MPC gyártás, mint költségcsökkentő tényező: az IC gyártás, mint szolgáltatás, az ún. fabless design.

14. hét      Integrált áramkörök tervezési módszerei, a design flow fogalma. Vegyesjelű design flow (digitális, analóg és MEMS együttes tervezése) rövid áttekintése. A szimuláció szerepe a tervezésben, cellától rendszer szintig. A szimulációs programok fajtái (áramköri, logikai, RTL szintű, viselkedési, fizikai) és szerepük a tervezés folyamatában. Digitális IC design flow részletes ismertetése. Bottom-up és top-down tervezési módszertanok. Modern CAD rendszerek, technológia függetlenség elve. Process Design Kit (PDK) fogalma és elemei: könyvtári elemek (standard cella, stb.), tervezési szabályok (DRC).  További költségcsökkentő tényezők: előre gyártott, előre tervezett komponensek. Az IP fogalma. IP és layout ügynökségek igénybe vétele

.

A tárgyhoz laboratóriumi gyakorlat (2 óra/hét) tartozik.

A laboratóriumi foglalkozások célja a mikroelektronikában alkalmazott gépi tervezési és verifikációs módszerekre vonatkozó gyakorlati ismeretek átadása a foglalkozások során megoldásra kerülő feladatok révén. Az elvégzendő feladatok:

1. hét         Félvezető alapanyaggal való ismerkedés. Félvezető alapanyagok minősítése, mérései, tűs mérés, kapacitív mérés, pn átmenet, stb.

2. hét         Alap mikroelektronikai technológiai folyamatok megismerése, egyes technológiai folyamatok bemutatása.

3. hét         Megismerkedés a tisztatérrel és a tisztatéri munkával.

4. hét         Kapcsolási rajzzal adott áramkörök SPICE típusú szimulációja, a főbb működési jellemzők szimulációval történő meghatározása.

5. hét         Egy kiválasztott CMOS áramköri kapcsolás SPICE szimulációja és a környezeti hőmérsékletváltozás hatásának vizsgálata.

6. hét         Elektronikus rendszerek, áramkörök, IC lapkák termikus szimulációja: a layout kialakítás, a tokozás termikus hatásának és a különböző hűtési módszerek hatásának vizsgálata;

7. hét         A digitális szinkron hálózatok tervezéséhez szükséges hardver leíró nyelv megismerése, alapáramkörök tervezése.

8. hét         Egy összetettebb digitális áramkör megtervezése hardverleíró nyelven, a terv ellenőrzése (verifikáció) I.

9. hét         Egy összetettebb digitális áramkör megtervezése hardverleíró nyelven, a terv ellenőrzése (verifikáció) II.

10. hét      Az előzőekben megtervezett áramkör megvalósítása áramkörszintézissel és a megtervezett áramkör kipróbálása egy tényleges FPGA-s környezetben.

11. hét      Standard cellás design flow lépéseinek végrehajtása (logikai-, fizikai szintézis, DRC) egy összetett digitális áramköri terven, ASIC áramkör tervezésének lépései. I.

12. hét      Standard cellás design flow lépéseinek végrehajtása (logikai-, fizikai szintézis, DRC) egy összetett digitális áramköri terven, ASIC áramkör tervezésének lépései. II.

13. hét      Összetett digitális áramkör megvalósítása beágyazott processzoros környezetben.

14. hét      Egyszerű áramköri mérési feladat végrehajtása (pl. a melegedés hatásának vizsgálata).