A tantárgyleírás hatályossága
Hatályosság kezdete:
2026. March 21.
Hatályosság vége:
—
| Tantárgy neve (magyarul, angolul) |
Mikroelektronika
Microelectronics
|
||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tantárgykód | BMEVIEEAB01 | ||||||||||||
| Tantárgyjelleg | — | ||||||||||||
| Képzési szint | — | ||||||||||||
| Kurzustípusok és óraszámok (heti/féléves) |
|
||||||||||||
| Tanulmányi teljesítmény/értékelés típusa | vizsga | ||||||||||||
| Tantárgy kreditértéke | 5 | ||||||||||||
| Tantárgyfelelős |
DR. Bognár György
beosztás: egyetemi docens
elérhetőség:
bognar.gyorgy@vik.bme.hu
|
||||||||||||
| Tantárgyat gondozó oktatási szervezeti egység |
Elektronikus Eszközök Tanszéke
|
||||||||||||
| Kar | Villamosmérnöki és Informatikai Kar | ||||||||||||
| Tantárgy weboldala | http://edu.vik.bme.hu | ||||||||||||
| Tantárgy elsődleges mintatantervi jellege | — | ||||||||||||
| Közvetlen előkövetelmények – Erős előkövetelmény | nincs | ||||||||||||
| Közvetlen előkövetelmények – Gyenge előkövetelmény | nincs | ||||||||||||
| Közvetlen előkövetelmények – Párhuzamos előkövetelmény | nincs | ||||||||||||
| Közvetlen előkövetelmények – Mérföldkő előkövetelmény | nincs | ||||||||||||
| Közvetlen előkövetelmények – Kizáró feltétel | nincs |
Célkitűzés
Tantárgyprogram
Előadások részletes tematikája
1. Félvezető gyártástechnológia alaplépései, félvezető eszközök vizsgálati módszerei
- Áttekintés a mikroelektronikáról, mint az egyik legnagyobb fejlődést mutató iparágról. A mikroelektronika szerepe, helye és tárgyköre. A mikroelektronikai tervező szakmérnök feladatai. A mikroelektronika és mikroelektronikai technológia alapfogalmai: minimális csíkszélesség (MFS), félvezető szelet (wafer), áramköri lapka (chip, die), szeletátmérő, egykristály rúd, planár technológia, osztásköz (pitch size), stb. Tranzisztorok 3D megvalósítása (FinFet, GAA, nanosheet tranzisztor kialakítások). Az áramköri rajzolat (layout) és a maszk, valamint az áramköri mag (core) és tappancs gyűrű (pad-ring) fogalma. A tiszta tér alapjai. Fotólitográfia kérdésköre (levilágítás, maszkillesztés). Az áramköri tokozások fejlődése az elmúlt évtizedekben: a Moore törvényen túl mutató (More than Moore) integráció, 2.5D és 3D tokozás (SiP, SoP, stacked die, CSP, stb.), heterogén integráció, fan-out packaging. A fizikai megvalósítások főbb paraméterei: csíkszélesség, lapkaméret, egy lapkára integrált tranzisztorok száma, órajel, disszipáció és integrált magok/funkciók változása azt elmúlt években.
- IC gyár felépítése, legfontosabb területei (tisztatér, zsilip, szervíztér, stb.), korszerű gyártósorok, félvezetőgyártó cégek geográfiai eloszlása és gyártókapacitása. Fejlődési trendek, Moore jóslat, mint üzleti trend és hatása a mikroelektronikai gyártástechnológiákra. Mikroelektronikai iparra jellemző fogalmak megismerése: roadmap, red brick wall, technology node, stb. A disszipáció sűrűség korlát, alkalmas hűtőeszköz kialakítások megismerése, integrált mikroméretű hűtőeszközök, folyadék- és mikrocsatornás hűtés kérdései és lehetőségei.
- A félvezető eszközök működésének fizikai alapjai: Elemi és vegyületfélvezetők, direkt és indirekt félvezető anyagok sávszerkezete, diszperziós reláció. A generáció és rekombináció fogalma. Töltéshordozók koncentrációja tiszta, adalékolatlan (intrinsic) és az adalékolt félvezetőkben, töltéshordozó koncentrációk (többségi, kisebbségi) meghatározása és hőmérsékletfüggése, Fermi-szint fogalma.
- Áramok a félvezetőkben: sodródási és diffúziós áramösszetevők, mozgékonyság és diffúziós állandó, Einstein-összefüggés, élettartam és generációs/rekombinációs ráta fogalma. Folytonossági és diffúziós egyenletek. Diffúziós egyenlet megoldása egy a félvezető eszközök esetén gyakran előforduló, jellegzetes példán. A diffúziós hossz meghatározása.
- A dióda, mint a legegyszerűbb félvezető eszköz. Planár diódák kialakítása, adalékprofil fogalma. A pn átmenet működése, elektrosztatikus viszonyok a pn átmenetben. A kiürített réteg fogalma, szélességének meghatározása. A diffúziós potenciál fogalma és nagyságának meghatározása. A pn átmenet nyitó irányú működésének részletes magyarázata. Ideális dióda karakterisztika meghatározása.
- Dióda másodlagos jelenségeinek megismerése: generációs és rekombinációs áram, nagy áramsűrűségű jelenségek, letörési jelenségek (ütközéses ionizáció és alagúteffektus), soros ellenállás, tértöltési és diffúziós kapacitás. A pn átmenet záró irányú működése. A pn átmenet elektromos viselkedésének hőmérsékletfüggése.
- A planáris kivitelű bipoláris tranzisztorok felépítése (diszkrét és integrált áramköri kivitel), a hatékony tranzisztor működés feltételei, a tranzisztorhatás magyarázata, injektálási- és transzport hatásfok, nagyjelű áramerősítési tényező meghatározása, beépített tér és hatásfokok számítása. Homogén és inhomogén bázisú bipoláris tranzisztor struktúrák. Potenciál viszonyok a bipoláris tranzisztorban.
- A munkapont és a kisjelű működés fogalma. A pn átmenet differenciális ellenállásának meghatározása. Diódák és bipoláris tranzisztorok modellezése áramkör-szimuláció (SPICE) számára: modell topológia, modellegyenlet, modell paraméterek. Földelt emitteres alapkapcsolás működése. A bipoláris tranzisztor üzemmódjai és azok modellezése SPICE jellegű áramkörszimuláció számára: Ebers-Moll modell, kisjelű (fizikai π) modellek, alapvető kisjelű számítások. A bipoláris tranzisztorok szerepe a mai IC-kben (pl. BiCMOS áramkörök).
- Térvezérlésű tranzisztorok fajtái: a JFET és a MOSFET eszközök. Az unipoláris működés lényege, a működés fizikai alapja. A térvezérlésű tranzisztorok teljes családjának megismerése. A JFET-ek elvi felépítése, karakterisztikái, működési tartományai, elzáródási feszültség fogalma, karakterisztika egyenlet meghatározása.
- JFET-ek és MOSFET-ek kisjelű paraméterei, helyettesítőképei; a transzkonduktancia fogalma, feszültségerősítés meghatározása (közös source-ú kapcsolás esetén). JFET alapkapcsolások és jellemzőik. A JFET eszközök összehasonlítása bipoláris és MOS tranzisztorokkal. A MOSFET eszközök felépítése (kiürítéses/növekményes, n/p csatornás), alapvető működésük, fém- és poli-szilícium kapuelektródás kivitel összehasonlítása. Egy egyszerű MOS gyártástechnológia lépései, maszk készlete.
- Felületi jelenségek a MOS kapacitás esetén: kiürülés, akkumuláció, inverzió. MOS kapacitás alkalmazási lehetőségei: CCD és CMOS képérzékelő szenzorok felépítése, működése, fejlődése az elmúlt évtizedekben. Modern képérzékelő eszközök (exmor, isocell, BSI, dual-pixel, pixel binning, HDR stb.) működésének megismerése.
- MOS tranzisztorok karakterisztikái, küszöbfeszültsége, kapacitásai. MOS tranzisztorok SPICE szimulációs modelljeinek alapjai (topológia, főbb paraméterek). Másodlagos hatások MOS tranzisztorokban. Teljesítmény tranzisztorok: power FET-ek, termikus megfutás kérdése, SOA fogalma. Az IGBT eszközök felépítése, működése, parazita elemek, karakterisztikák megismerése.
- A mikroelektronikai gyártástechnológia és áramköri kapcsolástechnika fogalma és kapcsolata. Az nMOS-tól a modern rendszerchip eszközökben alkalmazott logikai áramköri családokig (CMOS, SCL, BiCMOS stb.). Legegyszerűbb nMOS digitális kapcsolások (inverter, NAND/NOR logikai kapuk) és ezek CMOS változatainak megismerése (áramköri kapcsolási rajz és layout terv). Arányos méretcsökkenés és hatása, Dennard törvény. Digitális integrált áramköri magok egyéb globális jellemzői: időzítési paraméterek, terhelő kapacitások, az IC vezetékek tulajdonságai. A CMOS inverter felépítése, jellemzői (zavarvédettség, jelregeneráló képesség, komparálási feszültség, jelterjedés). CMOS áramkörök fogyasztása, annak összetevői, frekvenciafüggése. Statikus és dinamikus MOS logikai kapcsolások felépítése, működése, összehasonlításuk.
- Tartalék előadás: Speciális célú pn átmenetek: fotodiódák, napelemek, világító diódák (LED-ek) megismerése. Felépítésük, működésük, megvalósítási technológiájuk és kapcsolódó alapfogalmak megismerése. MEMS (mikro-elektromechanikai rendszerek) eszközök. A méretcsökkenés hatása, tipikus megvalósítások, kialakítások (árkok, membrán, konzol, híd, mikrorugó, fésűs meghajtó, mikrocsatornák stb.). Tömbi és felületi mikromegmunkálási technológiák. A CMOS technológiával való kompatibilitás kérdései. Tipikus szenzor alkalmazások megismerése. Az ilyen eszközök működésének modellezése, helyettesítőképeik.
Laboratóriumi gyakorlatok részletes tematikája
A laboratóriumi foglalkozások célja a mikroelektronikában alkalmazott CAD tervezési és verifikációs módszerekre vonatkozó gyakorlati, valamint félvezető technológiai ismeretek átadása a foglalkozások során. A laboratóriumi gyakorlatok során elvégzendő feladatok:
1. Félvezető gyártástechnológia alaplépései, félvezető eszközök vizsgálati módszerei
- Félvezető technológiában alkalmazott alapanyagokkal való ismerkedés (elektromos, termikus, mechanikai tulajdonságok).
- Félvezető alapanyagok minősítési módszereinek megismerése.
- Alapvető mikroelektronikai technológiai folyamatok megismerése, egyes technológiai folyamatok bemutatása.
- Ismerkedés a tisztatérrel és a tisztatéri munkával.
- Bipoláris és CMOS technológián megvalósított integrált áramkörök fénymikroszkópos vizsgálata alapján az áramköri kapcsolási rajz visszafejtése (reverse engineering).
2. Az IC tervezés és verifikáció egyes elemi lépései, módszerei
- Kapcsolási rajzzal adott áramkörök SPICE szimulációja, a főbb működési jellemzők szimulációval történő meghatározása (DC, tranziens).
- Egy kiválasztott CMOS áramköri kapcsolás SPICE szimulációja (DC, tranziens) és a környezeti hőmérsékletváltozás hatásának vizsgálata (parametrikus szimuláció).
- Egy tranzisztoros MOS erősítő áramkörök vizsgálata, különböző SPICE szimulációk futtatása (DC, AC, tranziens), alkalmazásuk megismerése.
- A digitális szinkron hálózatok tervezéséhez szükséges HDL (hardver leíró nyelv megismerése), alapáramkörök tervezése.
- Egy összetettebb digitális áramkör megtervezése hardverleíró nyelven, a terv ellenőrzése (verifikáció)
- Az előzőekben megtervezett áramkör megvalósítása áramkörszintézissel és a megtervezett áramkör kipróbálása egy tényleges FPGA-s környezetben.
- Elektronikus rendszerek, áramkörök, IC lapkák termikus szimulációja: a layout kialakítás, a tokozás termikus hatásának és a különböző hűtési módszerek hatásának vizsgálata.
- Integrált áramkörök, érzékelő struktúrák, áramköri tokozások hővezetési útjának termikus kompakt modelljének megalkotása.
- Termikus szimulációk (DC, AC, Tranziens) futtatása integrált áramköri erősítő, valamint szerelt áramköri hordozó esetében.