Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

Elektronika 1, Digitális technika 1, Digitális technika 2, Fizika 2, Elektronikai technológia és anyagismeret

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

A Mikroelektronika tárgy alapvető célkitűzése az, hogy elmélyítse a digitális technika kapcsán már megszerzett ismereteket a legmodernebb, legfejlettebb implementációs eljárások (digitális és analóg integrált áramköri technika) bemutatása révén. A tantárgy további célja a félvezető eszközök alapvető fizikai működésének, a fejlődési tendenciáknak és a korszerű technológiai módszereknek a bemutatása.

A mai elektronika és informatika elképzelhetetlen a különböző speciális diszkrét félvezetők és a nagybonyolultságú integrált áramkörök nélkül. A felépítésükre, működésükre, valamint a különböző gyártástechnológiákkal készített IC-kben megvalósítható alkatrészekre és áramkörökre vonatkozó alapvető ismeretekkel minden villamosmérnöknek rendelkeznie kell. Ugyancsak ismerniük kell az integrált áramkörök tervezésének alapvető eljárásait – legalább olyan szinten, ami egy IC tervező specialistával való együttműködéshez szükséges, és látniuk kell, hogy hogyan kapcsolódik össze a rendszerszintű tervezés és az igen nagy összetettségű integrált áramkörök tervezése.

A tárgy különleges hangsúlyt helyez a kapcsolódó gyakorlati ismeretekre. Ezt szolgálják a számítógépes- és félvezetőlaboratóriumi gyakorlatok, amelyek során az IC tervezés egyes elemi lépéseit, módszereit ismerik meg és próbálják ki a hallgatók. Egyes számítási módszerek gyakoroltatása, valamint kész megoldások esettanulmányszerű analízise ugyancsak ezt a célt szolgálja.

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.

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).

A tantárgy elméleti anyagát a 2 óra/hét kiméretű előadásokon ismertetjük. Az előadások anyagát folyamatosan illusztráljuk a mikroelektronikai szerkezetek (mikroszkópos, elektron-mikroszkópos) vetített képeivel és helyszínen bemutatott mérésekkel és szemléltető modellekkel.

Az egyes jellegzetes számítási feladatok elvégzést az előadásokba beiktatott példákkal szemléltetjük. A félvezető technológiákkal a hallgatók a tanszéki félvezető laboratóriumban ismerkednek meg, a termikus mérésekkel a termikus laboratóriumban találkoznak, szimulációs és tervezési gyakorlatokat számítógépes laboratóriumban tartjuk. E gyakorlatok során a hallgatók egyéni feladatokat kapnak.

A laboratóriumi gyakorlatok látogatása kötelező. A gyakorlatokon a jelenlétet minden alkalommal ellenőrizzük, két hiányzás pótolható.

az aláírás feltétele:

• A tárgyhoz tartozó összes labor gyakorlat sikeres teljesítése és a jegyzőkönyvek leadása. A gyakorlati foglalkozások során a felkészülést a laboratóriumi munka kezdete előtt ellenőrizzük. A laborgyakorlaton nem vehet részt, akinek a felkészültsége elégtelen.

·       A szorgalmi időszak alatt egy alkalommal, az évfolyam terhelési táblázata szerinti időpontban nagy zárthelyi dolgozatot íratunk. Az aláírás feltétele ennek legalább elégséges (2) teljesítése.

A vizsgaidőszakban:

·       A tárgyból a félév befejeztével írásbeli vizsgát kell tenni. A vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megszerzése.

Elővizsga:

• A pótlási időszakban elővizsgát tartunk. Az elővizsgán való részvétel feltétele a zh-n elért megfelelően magas pontszám.

A szorgalmi időszakban lehetőséget biztosítunk két laboratóriumi foglalkozás pótlására. A szorgalmi időszakban lehetőséget biztosítunk a nagy ZH pótlására. További pótlási lehetőség (pl. pót-pót ZH) főszabály szerint nem áll rendelkezésre.

A tárgyból igény szerint konzultációt tartunk

·        Székely V.: Elektronika I. Félvezető eszközök, Műegyetemi Kiadó, 55054

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

·        Tanszéki elektronikus jegyzetek a tanszéki tanulmányi felületről (eBook kompatibilis formában is)

A félév során a hallgatók számára emelt szintű, külön laboratóriumi foglalkozásokat tartunk. A laboratóriumi gyakorlatok tematikája nem tér el az IMSc programban nem résztvevő hallgatóknak tartott foglalkozások tematikájától, azonban a laboratórium aktuális témaköréhez kapcsolódó kutatásokban és/vagy ipari fejlesztésekben dolgozó, tapasztalt kollégák vezetésével történik. Ennek kertében nem csak a tananyag átadása, hanem az aktuális kutatási lehetőségek, tanszéki/kari/egyetemi kutatómunka ismertetése is megtörténik. Lehetőség nyílik továbbá a feladatmegoldás során sokkal mélyebb ismeretek, részeletek átadására is.

A félév során projekt munka jelleggel a hallgatók egy kitűzött feladatot oldhatnak meg, nagy házi feladat jelleggel, melyért IMSc pontokat kaphatnak. Ebben a fő hangsúlyt a kiválasztott téma nemzetközi tudományos irodalmának szisztematikus feldolgozására helyezzük: megismertetjük a hallgatókkal a terület legfontosabb folyóiratait (pl. különböző IEEE folyóiratok) és legfontosabb konferenciáinak a kiadványait, de lehetőséget biztosítunk gyakorlati jellegű tevékenységre (pl. egy komplexebb szimulációs vagy tervezési feladat). Ehhez igény szerint külön tanórán kívüli időpontokban biztosított laboratóriumi munkavégzés keretében, konzultációs lehetőséget is biztosítunk. A hallgatók a projektfeladatról egy saját dolgozatban számolnak be. A dolgozat beadási határideje a szorgalmi időszak utolsó hét péntek 12 óra.

A projekt munkában való részvétel a programban nem résztvevő hallgatók számára is biztosított.

A programban résztvevő hallgatóknak a laboratóriumi foglalkozások és a projekt munka szervezése során a mélységi gazdagítást és az ismeretek készség szintű elsajátítását tartjuk szem előtt.

A félév során összesen 25 IMSc pont szerezhető.

IMSc pontokat szerezni a sikeresen elvégzett projekt munkával, a nagy ZH-n, illetve vizsgán lehet.

A projektmunka sikeres (érhetően és világosan dokumentált, a projektfeladat céljának elérését bizonyító produktum bemutatása)  teljesítésével 17 IMSc. pont szerezhető.

További 4-4 IMSc pont szerezhető a nagy ZH-n és a vizsgán az IMSc többletfeladatok sikeres megoldásával. Ezeket az IMSc pontokat csak az szerezheti meg, aki a kitűzött normál feladatok megoldásával a vizsgán a jeles szintet elérte.

Az IMSc pontok megszerzésének lehetősége a programban nem résztvevő hallgatók számára is biztosított. Az IMSc. pontok nem befolyásolják a vizsga eredményét.