Türkçe VLSI tasarım notları tümdevre tasarım ilkeleri

Bu notlar PROF. DR. Ayten KUNTMAN tarafından 11.03.2009 tarihinde yayınlanan notların yeniden düzenlenmiş halidir. Emeği geçen hazırlayan kişilere teşekkürler. Tümdevre teknolojisi kitabı içerik olarak çok geniş çapta tümleştirilmiş (VLSI)(Very Large Scale Integration) devre tasarımı, üretimi ve piyasada kullanılacak hale gelmesini kapsar. Tümdevre üretiminde ana malzeme silisyumdur.

Doğada amorf olarak bolca bulunan silisyum uzun metalurjik islemler sonucunda yarı iletken devre yapımına uygun hale getirilir. Silisyum kristali uzun parlak çubuklar halinde elde edilir. Bu çubuklar daha sonra ince pul (Wafer) şeklinde kesilerek kullanım için hazır hale getirilir. Kesilen pulların kalınlıkları 350-400mm, çapları ise 3-5 inç civarındadır.

Mikroelektronik teknolojisi; bir seri islemler dizisi(proses) sonucunda çok sayıda tümdevre üretimini mümkün kılmaktadır. Bir pul üzerinde 100-200 adet tümdevre oluşturulabilir. Aynı anda 10 pulla çalışılsa bir proses sonuçunda 100X10=1000 adet tümdevre üretilmiş olabilir. Tümdevreler temelde bipolar ve MOS teknolojileri kullanılarak üretilirler.

Bipolar teknoloji kullanılarak analog yapılar oluşturulur. Kazancı fazla gürültüsü az, hassasiyeti iyidir. MOS teknolojisi kullanılarak ise dijital yapılar oluşturulur. Kullanım ve yerleşim açısından daha elverişli ve ölçeklemesi daha basit olduğu için tercih edilir.

Tümdevre üretiminde en temel eleman tranzistördür. Bipolar teknoloji ile npn, pnp, MOS teknoloji ile ise N kanallı MOS, P kanallı MOS tranzistörler oluşturulur. VLSI devrelerde eleman geometrisi oldukça önemlidir ve genellikle CMOS’ lardan oluşur.

Tasarımcı eleman geometrisini minimize etmeye çalışarak istenen fonksiyonu gerçekleştirebilecek tümdevreyi tasarlar. Tasarım üretim başlamadan sonuçlanan bir işlemdir. Tümdevre tasarımı ve üretimi üç ana asamada gerçekleşir.

TÜMDEVRE TASARIM İLKELERİ

TÜMDEVRE TASARIMI VE ÜRETİM AŞAMALARI

Maske Üretim Aşaması, Üretilen Maskelerin Silisyuma Uygulanması
Test ve Paketleme

SİLİSYUMUN ELEKTRIKSEL ÖZELLİĞİ

VLSI’da temel yapıtası : Silisyum, Yarıiletken davranısı
Has Silisyum, Silisyumun Katkılaması
Katkılanmış silisyumun iletkenliği

TÜMDEVRE ÜRETİMİNDE KULLANILAN TEMEL PROSES ADIMLARI

Difüzyon, Difüzyon Tabakasının Elektriksel Özelliği
Termal Oksitleme, Polisilisyum Olusturma
Dyon Ekme(Dmplantasyon), Epitaksi, Litografi

MOS TÜMDEVRELER

Temel MOS Yapıları, Temel MOS Tranzistörleri
Kanal Olusturmalı N-MOS(E-NMOS), Kanal Ayarlamalı NMOS(D-NMOS)
Kanal Olusturmalı PMOS(E-PMOS)
Kanal Olusturmalı N-MOS Tranzistörün Çalışma Bölgeleri
N-Kanallı MOS Transistor Üretim Süreci(teknolojisi)
MOS Tümdevrelerin Temel Elektriksel Özellikleri
N-Kanallı MOS tranzistörün akım ifadesinin çıkarılısı
N-Kanallı tranzistörün akım-gerilim ilişkisi
MOS Tranzistörlerde Model Parametreleri
Esik Gerilimi(VTO), Gövde Parametresi(Taban kutuplasma sayısı)
MOS Tranzistörün Etkin Kanal Boyu
MOS Tranzistörün Geçiş Dletkenliği(gm)
Anahtarlama Hızı(Frekans cevabı), Çıkış Dletkenliği
MOS Kapasiteler, Oksit Kapasitesi, Jonksiyon Kapasiteleri
n – kanallı MOSFET de akım – gerilim eşitlilkleri
p – kanallı MOSFET de akım – gerilim eşitlilkleri
CMOS Teknolojisi, N-Kuyulu CMOS Prosesi
Parametrelerin Ölçülmesi

SERİM TASARIM KURALLARI

“Full-Custom” Maske Serim Kuralları, Cmos Evirici Serim Tasarımı

MOS TÜMDEVRE TASARIMI

Eviriciler
NMOS Evirici
Eviricinin Elektriksel Özellik-Yapı ilişkisini Veren Büyüklükler
CMOS Eviriciler:

BİPOLAR TÜMDEVRELER

Jonksiyon izolasyonlu bipolar tümdevreler
Jonksiyon Dzolasyonlu Bipolar npn Tranzistör Teknolojisi
Bipolar Anolog Tümdevrelerde Aktif Elemanlar
Tümlestrilmiş npn Transistor
Bipolar Yapılarda Tasarım Için Önemli Temel Kavramlar
Jonksiyonun belverme gerilimi
Bipolar npn Tranzistörün Doyma Akımı
Bipolar Yapılarda Olusan Parazitik Dirençler
Seri Baz Direnci, Seri Kollektör Direnci(rc)
Kollektör-Baz jonksiyon Kapasitesi
Bipolar Entegre Devrelerde Pasif Elemanlar
Dirençler, Difüzyonlu Dirençler
Kapasiteler, Jonksiyonlu Kapasiteler
MOS Kapasiteler, Diyotlar
Lineer (Analog) Entegre Devre Tasarim ilkeleri
Analog Dslem Blokları, Alt Bloklar, Kutuplama Devreleri

Ekler
SPICE PROGRAMI, Serim örnekleri, Problemler

Kaynaklar

1. SEGEM, Tubitak Seminer Notları.

2. S. M. Kang, Y. Leblebici, CMOS Digital Integrated Circuits,McGraw-Hill,1999.

3. W. Maly, Atlas of IC Technologies, Menlo Park, CA,Benjamin/Cummings,1987.

4. R.L. Geiger, P. E. Allen, N. R. Strader, VLSI Design Techniques for Analog and Digital Circuits, McGraw-Hill, 1996

5. P. R. Gray, R. G. Meyer , Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, John Wiley & Sons, 1997.

6. D.A. Pischnell, K. Eshraghair, Basic VLSI Design Systems and Circuits,1988 Prentice Hall.

7. P.Antapnetti, Gossobrio, Semiconductor Device Modeling with Spice, Mc Graw Hill 1998.A.B. Grebene Bipolar and MOS Analog Integrated Circuits Design, John Wiley 1984.

8. R.Geige, P.Allen., VLSI Design Techniques for Analog and Digital Circuits Mc Graw Hill, New York, 1990.