Mikroelektronika

A tantárgy angol neve: Microelectronics

Adatlap utolsó módosítása: 2013. szeptember 3.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Villamosmérnöki Szak

BSc képzés
Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIEEA306 5 3/0/1/f 5  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Poppe András, Elektronikus Eszközök Tanszéke
4. A tantárgy előadója

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Dr. Poppe András

egyetemi docens

Elektronikus Eszközök Tsz.

Dr. Bognár György

egyetemi docens

Elektronikus Eszközök Tsz.

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít

Elektronika 1-2,

Digitális technika 1,

Fizika C2,

Elektronikai technológia, Anyagtudomány

 

 

6. Előtanulmányi rend
Kötelező:
(TárgyEredmény( "BMEVIHIA205" , "aláírás" , _ ) = -1
VAGY
TárgyEredmény( "BMEVIHI3020" , "aláírás" , _ ) = -1
VAGY
TárgyEredmény( ahol a TárgyKód = "BMEVIDHKV05", ahol a Típus = "JEGY", ahol a Ciklus = tetszőleges, ahol a KépzésKód = tetszőleges) >=2
VAGY
KépzésLétezik( ahol a KépzésKód = "5N-07")
VAGY
Szakirány( ahol a SzakirányKód = "KIEGVBSC", ahol a Ciklus = "2007/08/1") )

ÉS NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIEEAB00" , "jegy" , _ ) >= 2
VAGY
TárgyEredmény("BMEVIEEAB00", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

ÉS Training.Code=("5N-A7")

A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

Ajánlott:

Kötelező: Elektronika 1.

7. A tantárgy célkitűzése

A mai elektronika és informatika elképzelhetetlen a nagybonyolultságú integrált áramkörök nélkül. Felépítésükre, a bennük megvalósítható alkatrészekre és áramkörökre vonatkozó alapvető ismeretekkel minden villamosmérnöknek rendelkeznie kell. Ugyancsak ismerniük kell a tervezés leg-elemibb eljárásait – legalább azon a minimál szinten, ami az IC tervező specialistával való együttműködéshez szükséges. Látniuk kell továbbá a hallgatóknak, hogy hogyan kapcsolódik a rendszer szintű tervezés és az igen nagy összetettségű integrált áramkörök tervezése.

A Mikroelektronika tárgy feladata a fent vázolt ismeretek közlése. A tárgy különleges hangsúlyt helyez a kapcsolódó gyakorlati ismeretekre. Számítási módszerek gyakoroltatása, kész megoldások esettanulmány-szerű analízise szolgálja ezt a célt. Ugyancsak ezt szolgálják a számítógépes laborgyakorlatok, amelyek során az IC tervezés egyes elemi lépéseit, módszereit próbálják ki a hallgatók.

 

A tárgy lényeges feladata, hogy az absztrakt elektronikus működés és a fizikai valóság közötti összefüggéseket megismertesse. Ennek érdekében részletesen tárgyalja a fő IC elemek (dióda, tranzisztor, stb) fizikai működését. Kitér az új fizikai dimenziókat nyitó MEMS és MOEMS elemek fizikájára, amelyekben az elektromos működés a mechanikai és optikai hatásokkal kombináltan jelentkezik. Végül érinti a nanoelektronika fejlődési trendjét is.

 

A Mikroelektronika tárgy szervesen kapcsolódik az Elektronika I és II tárgyakhoz, azokkal egy 3 féléves, összefüggő tematikai vonulatot alkot.

 

8. A tantárgy részletes tematikája A mikroelektronikai technológia fő vonásai. Diffúzió, implantáció, párologtatás, porlasztás. Fotolitográfia, maszkok (ismétlés, az Elektronikai Technológia tárgyra támaszkodva).

 

A monolitikus IC-k alkatrész készlete. A pn átmenet. Elektrosztatikus viszonyok, kiürített réteg. A pn átmenet egyenáramú karakterisztikája. Generációs és rekombinációs áram, nagy áramsűrűségű jelenségek. Tértöltési és diffúziós kapatitás. A Schottky átmenet.

 

A MOS struktúra tulajdonságai. Akkumuláció, kiürítés, inverzió, küszöbfeszültség. A MOS tranzisztor karakterisztikája. IC kivitel. A mai méretek. Eltérés a négyzetes karakterisztikától. A küszöb alatti áram. Kapacitások.

 

A bipoláris tranzisztor működése. Az áramerősítés számítása. Másodlagos hatások. Az IC kivitel, layout változatok, tulajdonságaik. A FET tranzisztor felépítése és működése. Speciális  struktúrák: teljesítmény MOS (DMOS), Schottky tranzisztor. A négyrétegű struktúra és a latch-up.

 

Az IC vezetékek tulajdonságai. Kapacitás, késleltetés. Sokrétegű vezetékezés struktúrák. Csatolás a jelvezetékek között.

 

Az alkatrész szintű áramkör szimuláció, mint az áramköri tervezés és ellenőrzés eszköze. Az alkatrészek modellezése, egyenáramú, frekvenciatartomány-beli és tranziens analízis. A szimuláció gyakorlati módszerei.

 

Digitális alapáramkörök: A CMOS inverter felépítése, tervezése, jellemzői (jelterjedés, fogyasztás, küszöb alatti áram). CMOS kapuk, tároló elemek. Méretcsökkentés, fogyasztás, a tápfeszültség redukciója. 

 

CMOS variánsok. Dinamikus MOS áramkörök. Vonalmeghajtók, 3 állapotú meghajtók. Input-output áramkörök és védelem. Könyvtári cellák és a standard cellás tervezés.

 

Jellegzetes analóg áramkörök: műveleti erősítő, OTA. Az áramköri szimmetria és a korrelált alkatrész toleranciák hatása a minőségi jellemzőkre. Layout elrendezés és termikus effektusok. 

 

Példa kevert módú (analóg-digitális) áramkörökre: az AD és DA konverterek. A monolitikus megvalósítás tipikus megoldásai. A bitszám és az alkatrész toleranciák.

 

Az RF áramkörök monolitikus megvalósításának kérdései. 

 

A VLSI áramkörök. Az órajel ellátás problémái. Az optimalizálás különböző célfüggvényei: jelterjedés, jelváltás-szám, stb. Kommunikáció a chip egyes egységei között. Tervezési módszerek. Nagyobb egységek tervezése magasszintű nyelven (VHDL, Verilog), cellakönyvtárra támaszkodva. Az IC terv különböző leírási szintjei.

 

IC tervező rendszerek. Rendszer szintű tervezés, elrendezés tervezés. Az IP fogalma. IP és layout ügynökségek igénybe vétele. Fejlesztői csoportok együttműködése. Beágyazott rendszerek, szoftver/hardver együttes tervezés. A szimuláció szerepe a tervezésben, cellától rendszer szintig. A szimulációs programok fajtái (áramköri, logikai, RTL szintű, viselkedési, fizikai)

 

A monolitikus memóriák. A ROM, EPROM, EEPROM memóriák felépítése, működése. A sztatikus CMOS RAM. A dinamikus RAM áramkörök: cella felépítés, kiolvasó erősítő, cellamátrix blokkok.

 

A VLSI IC-k tokozása. Hagyományos tokok. SMD tokok. Chip-size módszerek. Stacked chipek. A tokozás termikus problémái, a hőelvezetés megoldásai.

 

A VLSI áramkörök tesztelési kérdései. Tesztelhetőre tervezés. Tesztelés kombinációs és szekvenciális áramköröknél. A scan dizájn. A beépített önteszt. Az LFSR. Az on-line teszt. A peremfigyeléses tesztelés. A teszt szekvencia generálásának helye a tervezési folyamatban.

 

Mechanikai és optikai elemek integrálása az IC-be. Az integrált mikrorendszerek. Jellegzetes struktúrák: konzol, híd, membrán. Alapvető mechanikai tulajdonságok számítása. Összetettebb szerkezetek. Kapacitív érzékelés és mozgatás. Piezorezisztív érzékelés. Felhasználási területek. Optikai hullámvezetők az IC felületén. LED diódák, lézerdiódák, fotodiódák. Kombinált mikromechanikai-optikai szerkezetek

 

Monolitikus szenzorok. Smart szenzor, szenzor hálózatok. Szerepük az autó elektronikában, az intelligens környezet rendszerekben, a környezetvédelemben. Hőmérséklet- nyomás- gyorsulás- gázérzékelők.  

 

Kitekintés: Nanoelektronika a monolit technikában. Az IC technika fejlődési trendjei, a roadmap.

 

A tárgyhoz számítógépes labor gyakorlat (1 óra/hét) tartozik.

 

A számítógépes labor ismereteket ad a mikroelektronikában alkalmazott gépi tervezési módszerek terén. Az elvégzendő feladatok:

Egyszerű CMOS logikai áramkör áramköri szimulációja.

 

IC elrendezés illetőleg tok termikus szimulációja

 

Egy összetettebb (néhány-száz vagy ezer kapu bonyolultságú) integrált áramkör megtervezése (magasszintű nyelvből kiindulva, automatizált módszerekkel).

 


9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)

A tantárgy elméleti anyagát a 3 óra/hét kiméretű előadásokon ismertetjük. Az előadások anyagát folyamatosan illusztráljuk a mikroelektronikai szerkezetek (mikroszkópos, elektron-mikroszkópos) vetített képeivel.

 

A gyakorlati számítási feladatok elvégzésének begyakorlására az előadások közé iktatva előadótermi gyakorlatokat tartunk.

 

 

A szimulációs és tervezési gyakorlatokat számítógépes laboratóriumban tartjuk, heti 1 óra kiméretben. E gyakorlatok során a hallgatók egyéni feladatokat kapnak.

 

 

10. Követelmények

 A szorgalmi időszakban az aláírás feltétele:

a szimulációs és tervezési gyakorlati laborfeladatok teljesítése, jegyzőkönyvek leadása (a laborban a felkészülést ellenőrizzük)

két nagyzárthelyi eredményes megírása 

 

a félévközi jegy megadása:

 

80 %-ban a nagyzárthelyik alapján,  20 % súllyal beszámít a számítógépes gyakorlat feladatainak osztályzata

 

11. Pótlási lehetőségek

A félév folyamán lehetőséget adunk a nagyzárthelyik pótlására.

A vizsgaidőszakban a TVSz mindenkori rendelkezései szerint lehetőség van az aláírás és a félévközi jegy pótlólagos megszerzésére, az alábbi feltételekkel:

 

 egyszeri nagyzárthelyi pótlási alkalom, valamint a számítógép labor feladatok egyikének pótlólagos beadása.

 

 

12. Konzultációs lehetőségek

 

A tárgyból heti rendszerességgel konzultációt tartunk, a nagyzárthelyiket megelőzően „megerősített” konzultációt biztosítunk.

 

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom Székely V.: Elektronika I. Félvezető eszközök, Műegyetemi Kiadó, 55054

 

Dr. Mojzes Imre (szerk.): Mikroelektronika és elektronikai technológia (2. kiadás)

 

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra

56


Félévközi készülés órákra

20


Felkészülés zárthelyire

20


Házi feladat elkészítése

 


Kijelölt írásos tananyag elsajátítása

10


Felkészülés laborra

14

Vizsgafelkészülés

 


Összesen

120


15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Dr. Székely Vladimír

egyetemi tanár

Elektronikus Eszközök Tanszéke