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

    Belépés
    címtáras azonosítással
    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Mikroelektronika

    A tantárgy angol neve: Microelectronics

    Adatlap utolsó módosítása: 2025. március 15.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar     		BSc. képzés
    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIEEAB01 3 2/0/2/v 5  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Bognár György,
    A tantárgy tanszéki weboldala http://edu.vik.bme.hu
    4. A tantárgy előadója Dr. Bognár György, egyetemi docens, Elektronikus Eszközök Tanszéke
    Dr. Poppe András, egyetemi tanár, Elektronikus Eszközök Tanszéke
    5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Elektronikai anyagtudomány, Digitális technika 1, Digitális technika 2, Fizika 2, Jelek és rendszerek 1.
    6. Előtanulmányi rend
    Kötelező:
    NEM ( TárgyTeljesítve("BMEVIEEAB00") ) ÉS

    (Kepzes("5N-A7") VAGY
    Kepzes("5N-A7H") VAGY
    Kepzes("5NAA7")

    VAGY

    ((Training.Code=("5NAA7")
    VAGY
    Training.Code=("5NAA8"))
    ÉS
    Felevstatusz((Term))="Aktív (Nemzetközi program)") )

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

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

    Ajánlott:
    Aláírás megszerzése Elektronikai anyagtudomány tárgyból.
    7. A tantárgy célkitűzése Nagy számítási teljesítményű adatközpontok, korszerű okoseszközök, megújuló energiatermelés alapeszközei, az elektromos autók hajtásvezérlése mind elképzelhetetlenek a bennük található nagybonyolultságú integrált áramkörök vagy különböző speciális diszkrét félvezető eszközök nélkül. Az integráció folyamatos fejlődése és az élet minden területét érintő digitalizációnak köszönhetően minden villamosmérnöknek rendelkeznie kell ezen eszközök és berendezések felépítésével, működésével kapcsolatos, valamint a különböző gyártástechnológiákon készített integrált áramkörökben megvalósítható alkatrészekre és áramkörökre vonatkozó alapvető ismeretekkel. Mindezek mellett az integrált áramkörök tervezésének alapvető módszertanával, lépéseivel is tisztában kell lenniük, legalább olyan szinten, ami egy IC tervező mérnökkel való együttműködéshez szükséges. A tárgy feladata, hogy az absztrakt elektronikus működés és a fizikai valóság közötti összefüggéseket megismertesse. Részletesen tárgyalja a fő integrált áramköri elemek (dióda, tranzisztor stb.) fizikai működését. Különleges hangsúlyt helyez a kapcsolódó gyakorlati ismeretekre a számítógépes- és félvezetőlaboratóriumi gyakorlatok keretében.
    8. A tantárgy részletes tematikája Előadások részletes tematikája
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
    4. 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.
    5. 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.
    6. 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.
    7. 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.
    8. 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).
    9. 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.
    10. 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.
    11. 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.
    12. 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.
    13. 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.
    14. 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.
    3.    Integrált áramkörök termikus viszonyokat figyelembe vevő tervezési módszertana
    • 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.

    10. Követelmények

    Szorgalmi időszakban

    Az aláírás megszerzésének feltétele:

    -       A tárgyhoz tartozó laboratóriumi gyakorlatok sikeres teljesítése és a jegyzőkönyvek határidőre történő leadása. A félév során az előírt számú laboratóriumi gyakorlat közül egy alkalomról történő hiányzás megengedett és további egy hiányzás pótolható.
    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) szintű teljesítése

    Vizsgaidőszakban

    Vizsga:

    -       A vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megszerzése a szorgalmi időszakban vagy a korábbi években megszerzett aláírás is elfogadható.

    -       A vizsgaidőszakban minden hallgatónak vizsgát kell tennie. A vizsga egy kötelező írásbeli részből és egy opcionális szóbeli részből áll. Az írásbeli részt minden hallgatónak kötelező megírni.

    -       Az írásbeli vizsgát a hallgatók jelenléti formában, a Kar számítógépes oktató termeiben, a Kar Moodle elektronikus tanulmányi rendszerében található vizsgafeladatsorok megoldásával teljesítik.

    -       A szóbeli vizsgán minden, legalább elégséges szintet elért hallgatónak lehetősége van egy jegyet javítani. A jó és jeles érdemjegy megszerzéséért a szóbeli vizsgán való részvétel kötelező. A szóbeli vizsgán a hallgatóknak előre kiadott tételsorból kell egy-egy tételt húzniuk.

    Elővizsga:

    -       A pótlási időszakban elővizsgát tartunk. Az elővizsgán való részvétel feltétele a nagy zárthelyi dolgozaton, valamint a félév során megszerzett ún. mikroelektronika pontok megfelelően magas pontszáma, vagy a Kari Tanulmányi Versenyen elért jó eredmény.

    Megajánlott jegy:

    -       A Kari Tanulmányi Versenyen kiemelkedő eredményt elért hallgatók megajánlott jegyet kaphatnak.

    11. Pótlási lehetőségek A szorgalmi időszakban lehetőséget biztosítunk egy laboratóriumi foglalkozás pótlására. A szorgalmi időszakban lehetőséget biztosítunk a nagy ZH pótlására. További pótlási lehetőség (pl. pót-pót ZH) nem áll rendelkezésre.
    12. Konzultációs lehetőségek A tárgyból igény szerint konzultációt tartunk.
    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

    -       Tanszéki elektronikus jegyzetek (elérhetőek a Kar Moodle elektronikus tanulmányi felületen)  

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

    -       Mojzes Imre (szerk.): Mikroelektronika és elektronikai technológia (2. kiadás), ISBN 963-420-847-9, 2005

    -       Harry J.M. Veendrick, „Nanometer CMOS ICs, from Basics to ASICs”, 2017, http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-47597-4

    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontakt óra56
    Félévközi készülés órákra24
    Felkészülés zárthelyire30
    Házi feladat elkészítése 
    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása 
    Vizsgafelkészülés40
    Összesen150
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta Dr. Bognár György, egyetemi docens, Elektronikus Eszközök Tanszéke
    Dr. Poppe András, egyetemi tanár, Elektronikus Eszközök Tanszéke
    IMSc tematika és módszer

    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 keretében 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, részletek átadására is.

    A félév során projektmunka 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 hallgatókat a szakterület legfontosabb folyóirataival (pl. különböző IEEE, Springer, Elsevier, stb. szakfolyóiratok) és legfontosabb konferenciáival, továbbá lehetőséget biztosítunk gyakorlati jellegű tevékenységre (pl. egy komplexebb szimulációs vagy tervezési feladat). Ehhez igény szerint külön tanórán kívüli időpontokban biztosítunk laboratóriumi hozzáférést és konzultációs lehetőséget. A hallgatók a projektfeladataik eredményéről egy saját dolgozatban számolnak be. A dolgozat beadási határideje legkésőbb 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  

    IMSc pontozás

    A félév során összesen 25 IMSc pont szerezhető.

    IMSc pontokat szerezni a sikeresen elvégzett projektmunkával, valamint számonkérések alkalmával lehet.

    A projektmunka sikeres (érhetően és világosan dokumentált, a projektfeladat céljának elérését bizonyító produktum bemutatása) teljesítésével 20 IMSc pont szerezhető.

    További IMSc pontok szerezhetők a nagy ZH-n és a vizsgákon, 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. PótZH-n iMSc pont nem szerezhető!

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