Föreläsning 2.2

Tillverkning, förutsättningar

När man tillverkar wafers med dies kan man göra varje till väldigt låg kostnad. Litografin sker med ljus med en våglängd på runt 500 nm, alltså synligt ljus. Man gör detta genom att lägga på lager på lager och bränna bort delar av det skyddande lagret där man vill att det ska bli ledande.

Man lägger fotokänsligt material och sen belyser man, tvättar bort och då får man öppningar, man kan också köra materialisering. Områdena som inte ska påverkas skyddas. Man har problem för vanligt synligt ljus då detta ger en låg förmåga att göra väldigt små saker. Därför är man inne på ljus runt röntgenstrålning i våglängd för att kunna göra mindre saker, detta görs dock inte ännu. Saker får inte komma mer än en nm fel. Det är ungefär 100 lager litografi över varandra och vi måste kunna göra varje lager med bra precision. Detta måste göras i en dammfri zon då ett enda dammkorn kan förstöra en die. Det är också viktigt att man får en bra yield, man testar därför först kiselskivor innan man kör litografi-steget. Om det är ett kristall fel får man skrota die'n.

Fabriken

Det dyraste med att göra chip är deras väg genom fabriken. Detta eftersom att maskinerna som krävs för att skapa dies är extremt dyra och enbart ASML kan skapa dem. Detta gör att man för att kunna skapa riktigt bra chip behöver lägga närmare 600 miljarder kronor för x < 5nm. Man behöver även ha underleverantörer för allt som fabriken kräver vilket bara finns på vissa ställen.

De flesta chip leverantörer har ingen fabrik.

TSMC har 55% av marknaden samsung 17% och UMC 7%. Det blir väldigt känsligt då alla stora chiptillverkare är i eller nära kina.

Chippet

Förr svetsade man fast metalltrådar som kopplade ihop die'n med chip höljet. Det är ett glorifierat tryckeri med en låg exemplarkostnad. Chipkostnad är ungefär die area / yield.

Planär process

Alla moderna processer gör en tredimensionell transistor, olika FinFET modeller. Detta ger en mycket mer effektiv process. Styret omfamnar ungefär kanalen vilket minskar processer. En process tar cirka 20 år från proof of concept till massproducering.

Vad karakteriserar en MOS-transistor?

Hur är strömspänningssambandet runt en MOS-transistor? Det är en uppsättning av kurvor beroende på vilken ström och spänning som går igenom. Tröskelspänningen beror på spänningen över styret.

Vad består kanalen av?

Det är p eller n dopat område, i exemplet n dopad dit elektroner dras så att man ändå kan leda mellan de n områdena. Det dra bara elektroner dit om det är en spänning över styret. Den leder bättre och bättre desto mer spänning som är över styret. Subtröskeln Cut off är när transistorn inte alls leder, v_gs < v_t. finns ingen kanal. Bortser från tunnelström. Om man har en liten spänning över kanalen.

Linjära området

När man lägger på mer och mer spänning på gaten kommer resistansen i kanalen börja öka för att elektronerna inte vill flytta sig. MOS-transistorer är symmetriska, det är alltså ingen fysikalisk skillnad på S och D.

Om man fortsätter öka spänningen så kommer man inte längre kunna leda ström alls.

Kanalstrypning Pinch off är när spänningskillnaden inte lägre ökar. och detta är då Vgb > Vt. Ordet strypning är lite missvisande och en idealisering. Detta är ett normalt tillstånd för transistorer och är inte skadligt.

Olinjära komponenter

Vi kan lösa olinjära komponenter grafiskt.

Hur gör vi NMOS förstärkare, som inverterare.

Vi väljer en NMOS transistor och kollar på dess ström-spänningsdiagram, vi kan då hitta en överföringsfunktion mellan Vgs och Vds. En nackdel vid låg utgång är att den drar ström, vi kan ersätta resistorn med en PMOS transistor för att dra mindre ström. Förstärkaren har distorsion och är inte helt linjär, om vi kollar på vilka frekvenser som ingår så är det en spik på frekvensen vi skickar in men den skickar även ut en topp på den dubbla frekvensen..

Digitala kretsar, CMOS-inverterare

Vi sätter en annan transistor (PMOS) över NMOS transistorns drain. Detta kommer göra så att NMOS tar bort låga spänningar medans PMOS låter bli att kämpa emot som resistansen gjorde. Detta är fortfarande en förstärkare som inverterar. Den get ett nästan perfekt omslag och drar nästan ingen statisk ström. Den andra transitorn är mättad.

CMOS är fäldigt effektiv och har nästan ingen statisk strömförbrukning, man kan få in många funktioner / mm².

Random

En icke uppladdad kondensator är som en kortslutning.