MICROELECTRONICA

TRABAJO COLABORATIVO 1

MICROELECTRNICA

TUTOR

NESTOR JAVIER RODRIGUEZ

PRESENTADO POR:

ALFREDO TOCUA BLANCORAUL NIO

Grupo: 299008

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNADCOLOMBIA ABRIL DE 2014

INTRODUCCIN

Este trabajo presenta en su primer contenido el desarrollo del ensayo en el cual se integraron los aportes de cada una de las participantes en el foro, tomando como base la bibliogrfica y video sugerido en la gua del tutor.La segunda parte muestra la utilidad del programa microwind para desarrollar prcticas de compuertas y lenguaje de programacin.Este trabajo nos permiti realizar la transferencia de los contenidos de la unidad uno y conocer como se componen los elementos que a diario utilizamos en nuestra vida cotidiana, adems de integrar el uso de herramientas software que permiten el manejo de simuladores para alcanzar los objetivos propuestos.

OBJETIVOS

La familiarizacin con las herramientas software que permiten la simulacin de circuitos de compuertas. El trabajo colaborativo que permite la integracin de conceptos para transferir el aprendizaje en los contenidos sugeridos en la gua. El desarrollo y articulacin de los ensayos a travs de la sntesis de los contenidos cargados en el foro.

1. Revisar los videos Creacin de circuitos integrados parte 1 y Creacin de circuitos integrados parte 2 y sacar los aspectos ms importantes y relevantes de estos.FABRICACIN DE CIRCUTOS INTEGRADOSCada vez ms pequeo Cada vez ms rpido, este es el principio de operacin de los Circuitos Integrados, desde que en 1958 cuando el ingeniero Jack Kilby desarrollo la primera integracin de seis transistores en una pequea capsula, hemos visto el avance significativo que ha tenido la integracin de componentes a grandes escalas de millones de elementos por Chip.Los circuitos Integrados estn formados por muchos componentes activos y pasivos reunidos en una capsula para realizar funciones especficas y complejas. Los Chips que se componen de silicio que es un elemento de la tabla peridica, tan sencillo en su presentacin natural y a la vez tan complejo debido a la forma en la cual el hombre la ha usado en el desarrollo tecnolgico necesaria para aumentar la calidad de vida de la humanidad, brindando comodidades y mejoramiento en procesos industriales facilitando a las personas el da a da. El Silicio es un material de muy bajo costo, es casi arena y su valor es muy bajo, es el segundo elemento ms abundante en la corteza terrestre (27,7% en peso) despus del oxgeno, pero en s su proceso de manufactura es bastante costoso para la fabricacin de los microprocesadores, la automatizacin de las plantas y su mantenimiento.El Silicio lleva todo un proceso para dotarlo de las condiciones necesarias para convertirlo en semiconductor, esto ha permitido el desarrollo de tecnologas en todos los campos de la vida. Las mquinas fueron adquiriendo tamaos muchos ms manejables hasta llegar a lo que hoy en da conocemos como la tecnologa porttil, que va desde un aparato celular hasta complejos equipos de cmputo para desarrollar actividades y poseer conectividad desde cualquier lugar del mundo gracias a la integracin de componentes en un Chip.La fabricacin de un Circuito Integrado comienza con el desarrollo de un diseo a cargo de un gran nmero de expertos ingenieros a travs de un programa asistido por computador, donde se genera un plano de acuerdo a los requerimientos especficos y las tareas que debe cumplir el Chip, este proceso computarizado pasa por el simulador, donde se verifican todas las variables de operacin del circuito, estas deben ser evaluadas por el equipo tcnico para realizar los ajustes necesarios. Este proceso es un tanto artstico ya que hay un gran componente intelectual e imaginativo, cuando pensamos que las tareas que realizamos diariamente y que hacen fcil nuestro vivir y que detrs de ellas hay cientos de elementos que gracias a la integracin a gran escala nos permiten contar con dispositivos tan manejables y portables, yo dira que si hay arte detrs de todo esto.Luego de pasar por todo este proceso se pasa a los trazadores grficos donde dibujan el Layout y vemos las reales dimensiones de los componentes e integracin del circuito. Dado que el proceso de ensamble de los chips es muy delicado y de alta precisin las lminas de silicio tiene un tratamiento especial, bajo las prcticas de manufactura ms estrictas, el ambiente tiene que estar libre de material particulado, evitando as que un dispositivo salga defectuoso; por ello el proceso de ensamble se encuentra automatizado donde unas mquinas especiales mueven las lminas de silicio durante todo el proceso de fotolitografa donde por medio de un proceso qumico se imprime una fotografa por as decirlo del diseo tan miniaturizado del plano del chip, para la produccin masiva.Llevado por un proceso de manufacturacin en compaas especializadas en todo el mundo, que se dedican a la investigacin para poner a disposicin de los mercados cada da Chip ms poderosos y eficientes, vemos que la tecnologa parece no tener lmites y nosotros debemos empezar a convivir en realidades que jams nos hubiramos imaginados, as como tampoco lo pudo imaginar quien percibi le idea de integracin de elementos en un solo circuito por primera vez. La realidad es que si analizamos las ventajas y desventajas de estos dispositivos nos daremos cuenta que estos son hoy en da una necesidad ms del hombre. Ya nada funciona sin un circuito integrado y lo ms interesante es que en su mayora son irremplazables, por el simple hecho de cmo estn instalados y su nivel de produccin.

En nuestro mundo que cada da est en avance y corre a mil por hora es ms comn toparnos con una tecnologa y con una fiebre tecnolgica alta, las personas se enfrenta a retos cada momento de sus vidas y si miran como evoluciona se darn cuenta que la miniaturizacin se est tomando el mundo.A caso las personas se preguntan cmo llegan las cosas tecnolgicas a sus manos y que proceso experimentan para llegar a ser lo que son??? Es un interrogante grande pues muchos solo piensan en tener lo ltimo en Guaracha o tecnologa en sus manos, como por ejemplo los celulares que cada da son ms avanzados por causa de la miniaturizacin.El video me pareci sper interesante ya lo haba visto en alguna ocasin pero no le haba puesto mucha atencin pero de verdad es bien chvere que nosotros como estudiantes estemos ms metidos en temas que nos brindan mucha facilidad de entendimiento de ciertos procesos con afines de nuestra carrera.

A continuacin quiero que recordemos un poco de conceptosCircuito integradoUn circuito integrado (CI), tambin conocido como chip o microchip, es una pastilla pequea de material semiconductor, de algunos milmetros cuadrados de rea, sobre la que se fabrican circuitos electrnicos generalmente mediante fotolitografa y que est protegida dentro de un encapsulado de plstico o cermica. El encapsulado posee conductores metlicos apropiados para hacer conexin entre la pastilla y un circuito impreso.

El desarrollo de los circuitos integrados fue posible gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar algunas de las funciones de las vlvulas de vaco.La integracin de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeos chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje manual de los tubos de vaco (vlvulas) y en la fabricacin de circuitos electrnicos utilizando componentes discretos.La capacidad de produccin masiva de circuitos integrados, su confiabilidad y la facilidad de agregarles complejidad, llev a su estandarizacin, reemplazando diseos que utilizaban transistores discretos, y que pronto dejaron obsoletas a las vlvulas o tubos de vaco.Son tres las ventajas ms importantes que tienen los circuitos integrados sobre los circuitos electrnicos construidos con componentes discretos: su menor costo; su mayor eficiencia energtica y su reducido tamao. El bajo costo es debido a que los CI son fabricados siendo impresos como una sola pieza por fotolitografa a partir de una oblea, generalmente de silicio, permitiendo la produccin en cadena de grandes cantidades, con una muy baja tasa de defectos. La elevada eficiencia se debe a que, dada la miniaturizacin de todos sus componentes, el consumo de energa es considerablemente menor, a iguales condiciones de funcionamiento que un homlogo fabricado con componentes discretos. Finalmente, el ms notable atributo, es su reducido tamao en relacin a los circuitos discretos; para ilustrar esto: un circuito integrado puede contener desde miles hasta varios millones de transistores en unos pocos centmetros cuadrados.

Fabricacin de circuitos integrados: es un proceso complejo y en el que intervienen numerosas etapas. Cada fabricante de circuitos integrados tiene sus propias tcnicas que guardan como secreto de empresa, aunque las tcnicas son parecidas, en este video que nos mostr la cadena de DISCOVERY CHANNEL muestra con de ser un montn de arena y piezas llega a ser transformado en una lmina de silicio y estas laminas terminadas llevan hasta 1.000 microchips diferentes y ms de 4 billones de componentes de circuitos, luego se recorta para darle vida y forma a lo que conocemos como un microchip.Los dispositivos integrados pueden ser tanto analgicos como digitales, aunque todos tienen como base un material semiconductor, normalmente el silicio.Para entender de una mejor manera el video ya que este es bastante y claro quiero presentar lo pasa para su fabricacin Pasos Generales de Fabricacin de un Circuito Integrado formado por Silicio como componente activoLos pasos de fabricacin bsica se pueden realizar muchas veces, en diferentes combinaciones y en diferentes condiciones de procedimiento durante un turno de fabricacin completo.Preparacin de la obleaEl material inicial para los circuitos integrados modernos es el Silicio de muy alta pureza, donde adquiere la forma de un cilindro slido de color gris acero de 10 a 30 cm de dimetro y puede ser de 1m a 2m de longitud. Este cristal se rebana para producir obleas circulares de 400um a 600um de espesor, (1um es igual a 1x10-6 metros). Despus, se alisa la pieza hasta obtener un acabado de espejo, a partir de tcnicas de pulimento qumicas y mecnicas. Las propiedades elctricas y mecnicas de la oblea dependen de la orientacin de los planos cristalinos, concentracin e impurezas existentes. Para aumentar la resistividad elctrica del semiconductor, se necesita alterar las propiedades elctricas del Silicio a partir de un proceso conocido como dopaje. Una oblea de silicio tipo n excesivamente impurificado (baja resistividad) sera designada como material n+, mientras que una regin levemente impurificada se designara n-.OxidacinSe refiere al proceso qumico de reaccin del Silicio con el Oxgeno para formar Dixido de Silicio (SiO2). Para acelerar dicha reaccin se necesitan de hornos ultra limpios especiales de alta temperatura. El Oxgeno que se utiliza en la reaccin se introduce como un gas de alta pureza (proceso de oxidacin seca) o como vapor (oxidacin hmeda). La Oxidacin hmeda tiene una mayor tasa de crecimiento, aunque la oxidacin seca produce mejores caractersticas elctricas. Su constante dielctrica es 3.9 y se le puede utilizar para fabricar excelentes condensadores. El Dixido de Silicio es una pelcula delgada, transparente y su superficie es altamente reflejante. Si se ilumina con luz blanca una oblea oxidada la interferencia constructiva y destructiva har que ciertos colores se reflejen y con base en el color de la superficie de la oblea se puede deducir el espesor de la capa de xido.DifusinEs el proceso mediante el cual los tomos se mueven de una regin de alta concentracin a una de baja a travs del cristal semiconductor. En el proceso de manufactura la difusin es un mtodo mediante el cual se introducen tomos de impurezas en el Silicio para cambiar su resistividad; por lo tanto, para acelerar el proceso de difusin de impurezas se realiza a altas temperaturas (1000 a 1200 C), esto para obtener el perfil de dopaje deseado. Las impurezas ms comunes utilizadas como contaminantes son el Boro (tipo p), el Fsforo (tipo n) y el Arsnico (tipo n). Si la concentracin de la impureza es excesivamente fuerte, la capa difundida tambin puede utilizarse como conductor.Implantacin de ionesEs otro mtodo que se utiliza para introducir tomos de impurezas en el cristal semiconductor. Un implantador de iones produce iones del contaminante deseado, los acelera mediante un campo elctrico y les permite chocar contra la superficie del semiconductor. La cantidad de iones que se implantan puede controlarse al variar la corriente del haz (flujo de iones). Este proceso se utiliza normalmente cuando el control preciso del perfil del dopaje es esencial para la operacin del dispositivo.Deposicin por medio de vapor qumicoEs un proceso mediante el cual gases o vapores se hacen reaccionar qumicamente, lo cual conduce a la formacin de slidos en un sustrato. Las propiedades de la capa de xido que se deposita por medio de vapor qumico no son tan buenas como las de un xido trmicamente formado, pero es suficiente para que acte como aislante trmico. La ventaja de una capa depositada por vapor qumico es que el xido se deposita con rapidez y a una baja temperatura (menos de 500C).MetalizacinSu propsito es interconectar los diversos componentes (transistores, condensadores, etc.) para formar el circuito integrado que se desea, implica la deposicin inicial de un metal sobre la superficie del Silicio. El espesor de la pelcula del metal puede ser controlado por la duracin de la deposicin electrnica, que normalmente es de 1 a 2 minutos.FotolitografaEsta tcnica es utilizada para definir la geometra de la superficie de los diversos componentes de un circuito integrado. Para lograr la fotolitografa, primeramente se debe recubrir la oblea con una capa fotosensible llamada sustancia fotoendurecible que utiliza una tcnica llamada de giro; despus de esto se utilizar una placa fotogrfica con patrones dibujados para exponer de forma selectiva la capa fotosensible a la iluminacin ultravioleta. Las reas opuestas se ablandarn y podrn ser removidas con un qumico, y de esta manera, producir con precisin geometras de superficies muy finas. La capa fotosensible puede utilizarse para proteger por debajo los materiales contra el ataque qumico en hmedo o contra el ataque qumico de iones reactivos. Este requerimiento impone restricciones mecnicas y pticas muy crticas en el equipo de fotolitografa.EmpacadoUna oblea de Silicio puede contener varios cientos de circuitos o chips terminados, cada chip puede contener de 10 a 108 o ms transistores en un rea rectangular, tpicamente entre 1 mm y 10 mm por lado. Despus de haber probado los circuitos elctricamente se separan unos de otros (rebanndolos) y los buenos (pastillas) se montan en cpsulas (soportes). Normalmente se utilizan alambres de oro para conectar las terminales del paquete al patrn de metalizacin en la pastilla; por ltimo, se sella el paquete con plstico o resina epxica al vaco o en una atmsfera inerte.

El video muestra las diferentes empresas lderes en la fabricacin de microchips es de las lminas de silicio, aqu escribo un aporte de una de ellas la Texas Instruments donde son 1.500 pasos para la construccin de principio a fin.Texas Instruments, ms conocida en la industria electrnica como TI, es una empresa norteamericana con sede en Dallas (Texas, EE. UU.) Que desarrolla y comercializa semiconductores y tecnologa para ordenadores. TI es el tercer mayor fabricante de semiconductores del mundo tras Intel y Samsung y es el mayor suministrador de circuitos integrados para telfonos mviles. Igualmente, es el mayor productor de procesadores digitales de seal y semiconductores analgicos. Otras reas de actividad incluyen circuitos integrados para mdem de banda ancha, perifricos para ordenadores, dispositivos digitales de consumo y RFID.

Fragmentos de poemas de William Blake

Para ver el mundo en un grano de arena, Y el Cielo en una flor silvestre,Abarca el infinito en la palma de tu mano Y la eternidad en una hora.Aquel que se liga a una alegra Hace esfumar el fluir de la vida;Aqul quien besa la joya cuando esta cruza su camino Vive en el amanecer de la eternidad.

En el video hace referencia a este aparte de este poema de William Blake donde dice Un mundo en un grano de arena, ya que esto hace notar que la miniaturizacin se est tomando el mundo con cosas ms pequeas, el video en realidad es muy interesante ya que nos muestra paso por paso la fabricacin de microchips, su proceso vara desde el comienzo ya que cada vez que pasa por cierta etapa cambia su forma, as como se dice al principio de este escrito la tecnologa tiene a este mundo cada vez tomada.

2. Crear una presentacin utilizando la pgina de Prezi una vez revisado los videos en donde explicaran que conclusiones, resumen, opiniones y dems, le dejan estos

https://www.youtube.com/watch?v=TmUZam3RMNs

3. Publicar esta presentacin con ayuda de la pgina de YouTube con la cual un compaero explicara los items de la presentacin.

https://www.youtube.com/watch?v=TmUZam3RMNs

4. Disear el Layout y simulacin de la compuerta XOR con sus respectivos pantallazos y explicaciones de paso a paso de la construccin de dicha compuerta.

Planteamiento del ejercicio:Debern realizar el Layout y simulacin de la compuerta XOR a fin de que pongan en prctica lo aprendido en el tpico 3 y Como usar Microwind, con esto seguirn los pasos all mencionados de cmo se realiza el diseo de una inversora CMOS, pero que el grupo de trabajo utilizara esto como gua para el diseo de la compuerta XOR, para ello realizaran capturas de pantalla de cada uno de los pasos que se deben hacer para la construccin de esta y lo adjuntaran en el documento informe del grupo, cada imagen deber estar con su respectiva explicacin de que es lo que se est viendo (imagen que no est explicada no se tendr en cuenta como parte del punto desarrollado).

Qu es una compuerta (XOR)?En la electrnica digital hay unas compuertas que no son comunes. Una de ellas es la compuerta XOR o compuerta O exclusiva o compuerta O excluyente.

El diagrama anterior muestra el smbolo de una compuerta XOR de 2 entradas:Comprender el funcionamiento de esta compuerta digital es muy importante para despus poder implementar lo que se llama un comparador digital. La figura de la derecha muestra la tabla de verdad de una compuerta XOR de 2 entradas.

Y se representa con la siguiente funcin booleanaX = A.B + A.BA diferencia de la compuerta OR, la compuerta XOR tiene una salida igual a "0" cuando sus entradas son iguales a 1.Si se comparan las tablas de verdad de la compuerta OR y la compuerta XOR se observa que la compuerta XOR tendr un uno ("1") en su salida cuando la suma de los unos "1" en las entradas sea igual a un nmero impar.La ecuacin se puede escribir de dos maneras: X = A.B + A.B La siguiente figura muestra la tabla de verdad de una compuerta XOR de 3 entradas

De la misma manera que el caso anterior se puede ver que se cumple que X = 1 slo cuando la suma de las entradas en "1" sea imparCircuito XOR equivalenteTambin se puede implementar la compuerta XOR con una combinacin de otras compuertas ms comunes.En el siguiente diagrama se muestra una compuerta XOR de dos entradas implementada con compuertas bsicas: la compuerta AND, la compuerta OR y la compuerta NOT.Comparar el diagrama con la frmula anterior: X = A.B + A.B

DISEO DE LA COMPUERTA XOR EN DSCH2Para el diseo de la compuerta se utilizara la herramienta de simulacin de circuitos DSCH 2.0.1. Se inicia el diseo crendose una compuerta XOR utilizando los diagramas de bloques, combinando compuertas AND y NOT para comprobar que el diseo es funcional.

2. Luego procedemos a disear los circuitos CMOS equivalentes para cada bloque

Compuerta NAND de 2 entradasSe Disea la compuerta NOT combinando la AND y la NOT

Compuerta AND

Compuerta NOT

Compuerta NANDCon base a las compuertas AND y NOT vistas en las grficas anteriores se procede a crear una compuerta NAND que ayudara simplificar el circuito. A continuacin se muestra la compuerta NAND con sus distintos estados de acuerdo con la tabla de verdad.Al Cambiar el estado de las entradas vemos como la tensin en el LED de la salida cambia de alto a bajo logrando que este se encienda o apague.

Compuerta NAND

Tabla de verdad Compuerta NAND

Ambas IN en Bajo, Out Alto

N A en Bajo, Out Alto

Ambas IN en Alto, Out Bajo

IN B en Alto, Out Alto

COMPUERTA XORUna vez realizada la compuerta NAND solo queda replicarla, y realizar las conexiones necesarias para obtener una Compuerta XOR.En el siguiente imagen se observa la compuerta XOR para lo cual se utilizaron 4 compuertas NAND

A continuacin veremos las imgenes correspondientes a cada uno de los estados de la compuerta XOR de acuerdo con la tabla de verdad de dicha compuerta

Ambas IN en Bajo, Out AltoIN A en Alto, Out Bajo

Ambas IN en Bajo, Out AltoIN B en Alto, Out Alto

Creacin del archivo VerilogUna vez creado el circuito de la compuerta procedemos a generar el archivo Verilog para despus ser compilado con Microwind para generar el Layout de la Compuerta, en la imagen siguiente se aprecia paso a paso el proceso:

Pasos:1. Primero damos click en file Make Verilog file 2. Se abre una ventana daos OK 3. Con esto se genera el archivo Verilog

CREACIN DE LA COMPUERTA EN MICROWINDIniciamos abriendo la aplicacin MicroWind e importaremos el archivo Verilog de la compuerta generado con DSC 2.0. tal como se aprecia en la siguiente imagen

Pasos:1. Abrimos Microwind y hacemos click en el men compile Verilog File2. Ubicamos el archivo a compilar en este caso XOR FULL y abrimos3. En la ventana que se abre damos click en compile4. Y finalmente en back to editor

Una vez hechos estos pasos veremos el Layout del circuito, como se aprecia en la siguiente imagen:

Diseo en 3D MicroWind.Con la opcin 3D del men podemos ver el paso a paso de la elaboracin de la compuerta en la oblea de silicio, a continuacin se muestran algunas imgenes de este proceso:

Sustrato Inicial

Capa delgada de Oxido

Depsito de PolysiliconCreacin de Contactos

Depsito de metal 2Fin del Proceso

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

ROBAYO. Faiber. Microelectrnica. Mdulo, UNAD. Bogot, Julio 2009.http://wordpress.com/2011/06/29/simulador-de-microwin-y-manual/, tomado el 22 e abril de 2012.http://www.mitecnologico.com/Main/CompuertasLogicas, tomado el 24 de abril de 2012.http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado http://es.wikipedia.org/wiki/Fabricaci%C3%B3n_de_circuitos_integrados http://es.wikipedia.org/wiki/Texas_Instruments

CONCLUSIONES

Este trabajo nos permiti realizar la prctica de la herramienta software de microwind, para crear la simulacin de la compuerta lgica NOR, adems de la consolidacin y sntesis del ensayo con los aportes del foro. Hemos realizado la transferencia de los contenidos de la unidad uno a travs del aprendizaje colaborativo y la integracin de las herramientas software sugerida. 1