Microeletrónica III

Objectivos

No final da unidade curricular pretende-se que o aluno compreenda quais os principais tipos de ICs existentes e as etapas envolvidas no projecto, fabrico e caracterização dos mesmos. O aluno deverá compreender o funcionamento (do ponto de vista dos dispositivos elementares), vantagens e limitações de circuitos baseados em diferentes famílias lógicas, nomeadamente TTL, MOS e CMOS, bem como nas mais recentes tecnologias de TFTs. Deverá ainda saber efectuar o correcto dimensionamento de dispositivos e efectuar desenho de máscaras litográficas de ICs simples com tecnologia CMOS.

Caracterização geral

Código

11046

Créditos

6.0

Professor responsável

Luís Miguel Nunes Pereira

Horas

Semanais - 5

Totais - 76

Idioma de ensino

Português

Pré-requisitos

A disponibilizar brevemente

Bibliografia

- Peter Shepherd , Integrated Circuit Design, Fabrication and Test, McGraw Hill Higher Education (1996). ISBN: 007057278X
- Christopher Saint, Judy Saint, IC Layout Basics: A pratical guide, McGraw-Hill Professional (2001). ISBN: 0071386254
- Randall Geiger, Phillip Allen, Noel Strader, VLSI: design techniques for analog and digital circuits, McGraw-Hill (1990). ISBN: 0071007288
- Douglas Pucknell, Kamran Eshraghian, Basic VLSI Design, Prentice Hall (1994). ISBN: 0130791539
- Eugene Fabricius, Introduction to VLSI design, McGraw-Hill (1990). ISBN: 007100727X

Método de ensino

As aulas teóricas procuram explicar os pontos fundamentais que permitem chegar a um correcto desenho de circuitos, tendo em conta diversos efeitos como sejam a área total ocupada, consumo, efeitos capacitivos parasitas, tempos de propagação do sinal, entre outros. Todos estes conceitos são apresentados para as duas famílias lógicas mais relevantes (nMOS e CMOS), sendo no entanto dados a conhecer aspectos fundamentais para o desenho de ICs independentes da família lógica seleccionada. Além disso, os conceitos são expandidos para as mais recentes tecnologias de TFTs. Toda esta informação, bem como referências que permitem aprofundá-la ainda mais, é facultada aos alunos após cada aula teórica.

As aulas práticas estão perfeitamente coordenadas com as temáticas das aulas teóricas, fazendo uso de ferramentas freeware bastante completas e didáticas (DSCH e Microwind) que permitem o desenho de circuitos e máscaras de um modo automatizado ou completamente manual, sendo possível através de um módulo de simulação ver qual o efeito de pequenas alterações de desenho no desempenho dos circuitos. São definidos vários critérios relativamente ao desempenho final de circuitos, havendo uma multiplicidade de caminhos que os alunos podem seguir para os obter, havendo por isso espaço a uma análise crítica dos resultados obtidos, fomentando que sejam os alunos a procurar, com base nos conceitos teóricos aprendidos, quais as formas de obter os melhores designs possíveis.

Método de avaliação

Os alunos são avaliados por dois testes teóricos efectuados ao longo do semestre, ou alternativamente um exame (60 % nota final), e pro 3 mini-relatórios em grupo sobre os trabalhos práticos (40 %), um sobre modelação TFTs de óxidos, outro sobre simulação de TFTs em TCAD e outro sobre desenho e simulação de circuitos CMOS.
A frequência implica presença nas aulas práticas e aprovação nos relatórios.

Conteúdo

Teóricas:

- Circuitos integrados (ICs): conceitos elementares, tipos de ICs, enquadramento histórico, gerações e tendências actuais

- Ciclo de desenho de ICs. Principais considerações de projecto (tecnologia e arquitectura, estratégia de desenho, consumo, caracterização, factores económicos)

- Noções de álgebra boleana. Portas lógicas e principais parâmetros de caracterização de circuitos digitais. Comparação da estrutura e operação de BJTs e MOSFETs integrados em ICs.

- Principais famílias lógicas: TTL, ECL, MOS e CMOS.

- O inversor nMOS: VTC, cargas passivas e activas, razão geométrica. Portas NOR e NAND baseadas em nMOS.

- O inversor CMOS: VTC, operação e razão geométrica. Latch-up, portas NOR e NAND baseadas em CMOS.

- Implementação de funções digitais com TFTs: limitações e formas de as superar.

- Portas de transmissão em nMOS e CMOS

- Análise de propagação de sinal em portas nMOS e CMOS. Circuitos buffer para simetria de tempos de propagação de sinal

- Considerações sobre cargas capacitivas (capacitive loading, logic fan-out delays, distributed drivers, driving off-chip loads, cascaded drivers). Dissipação de potência em nMOS e CMOS. Ruído em circuitos digitais.

- Considerações sobre processo em CMOS e noções elementares para optimização de desenho.

- Regras de desenho de ICs: níveis hierárquicos, códigos de cores, diagramas, design rules para layouts de máscaras.

 

Práticas:

- Caracterização eléctrica de TFTs de óxidos, extracção de parâmetros e aplicação de modelos físicos.

- Simulação de TFTs em ambiente SILVACO TCAD (Atlas).

- Microwind e DSCH: desenho de circuitos digitais (esquemático e layout), para tecnologia nMOS e CMOS. Efeitos geométricos e cargas capacitivas.

qCaracterização eléctrica de TFTs de óxidos, extracção de parâmetros e aplicação de modelos físicos.
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qSimulação de TFTs em ambiente SILVACO TCAD (Atlas).
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qMicrowind e DSCH: desenho de circuitos digitais (esquemático e layout), para tecnologia nMOS e CMOS. Efeitos geométricos e cargas capacitivas.

 

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: