1

Πανεπιστήμιο ΙωαννίνωνΠανεπιστήμιο Ιωαννίνων

Η Λ Ε Κ Τ Ρ Ο Ν Ι Κ ΗΗ Λ Ε Κ Τ Ρ Ο Ν Ι Κ Η

ΜικροηλεκτρονικήΜικροηλεκτρονικήΜικροηλεκτρονικήΜικροηλεκτρονική

Γ. ΤσιατούχαςΤμήμα Μηχανικών Η/Υ και ΠληροφορικήςΤμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής

ΔιάρθρωσηΔιάρθρωση

1.1. Περιγραφή μαθήματοςΠεριγραφή μαθήματος

Η Λ Ε Κ Τ Ρ Ο Ν Ι Κ ΗΗ Λ Ε Κ Τ Ρ Ο Ν Ι Κ Η

2.2. Το τρανζίστορΤο τρανζίστορ

3.3. Η τεχνολογία των ολοκληρωμένων Η τεχνολογία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων κυκλωμάτων 

4.4. Εξέλιξη της τεχνολογίαςΕξέλιξη της τεχνολογίας

5.5. Σύντομη περιγραφή μαθήματοςΣύντομη περιγραφή μαθήματος

Μικροηλεκτρονική 2

5.5. Σύντομη περιγραφή μαθήματοςΣύντομη περιγραφή μαθήματος

6.6. Ενότητες μαθήματος Ενότητες μαθήματος 

7.7. ΔιαδικαστικάΔιαδικαστικάVLSI systems

and Computer Architecture Lab

2

Μικρή εισαγωγή στη θεωρία κυκλωμάτων. Εισαγωγή στουςενισχυτές Τελεστικοί ενισχυτές Καθαροί ημιαγωγοί και

Σύντομη Περιγραφή ΜαθήματοςΣύντομη Περιγραφή Μαθήματος

ενισχυτές – Τελεστικοί ενισχυτές. Καθαροί ημιαγωγοί καιημιαγωγοί με προσμίξεις. Η p‐n επαφή ‐ Δίοδοι. Κυκλώματαδιόδων. Διπολικά τρανζίστορ επαφής και τρανζίστορ επίδρασηςπεδίου. Βασικές τοπολογίες ενισχυτών με τρανζίστορ και τρόποιλειτουργίας. Αρχές μικροηλεκτρονικής και μικροηλεκτρονικάκυκλώματα. Διαφορικοί ενισχυτές. Απόκριση συχνότηταςενισχυτών.

Μικροηλεκτρονική 3

ενισχυτών.

Ηλεκτρονική Σελίδα Μαθήματος: Ηλεκτρονική Σελίδα Μαθήματος: http://www.cs.uoi.gr/~tsiatouhas/MYY404http://www.cs.uoi.gr/~tsiatouhas/MYY404‐‐ELEC.htmELEC.htm‐‐ ee‐‐coursecourse ‐‐

Ενότητες του ΜαθήματοςΕνότητες του Μαθήματος

Ηλεκτρονική

• Εισαγωγή στη θεωρία κυκλωμάτωνΕ ή έ• Εισαγωγή στους ενισχυτές

• Τελεστικοί ενισχυτές• Ημιαγωγοί• Δίοδοι επαφής και διατάξεις διόδων• Το τρανζίστορ φαινομένου πεδίου • Το διπολικό τρανζίστορ επαφής

Μικροηλεκτρονική 4

Το διπολικό τρανζίστορ επαφής• Βασικές τοπολογίες κυκλωμάτων ενισχυτών• Ο διαφορικός ενισχυτής MOS• Απόκριση κατά συχνότητα ενισχυτών

3

•Υπολογίζεται ότι θα δοθούν 3 σετ ασκήσεων (homeworks).

•Οι ασκήσεις/εργασίες δεν είναι υποχρεωτικές και λαμβάνονταιυπόψιν αποκλειστικά για το τρέχον ακαδημαϊκό έτος

ΔιαδικαστικάΔιαδικαστικά II

υπόψιν αποκλειστικά για το τρέχον ακαδημαϊκό έτος.

•Οι ασκήσεις/εργασίες ενδεχόμενα θα συνεισφέρουν ένα 10%επιπρόσθετα στο βαθμό του μαθήματος όταν αυτός είναιμεγαλύτερος ή ίσος του πέντε και έχουν παραδοθεί όλες επιτυχώς,σε άλλη περίπτωση το ποσοστό αυτό μειώνεται ανάλογα με τιςεπιτυχείς απαντήσεις.

Μικροηλεκτρονική 5

επιτυχείς απαντήσεις.

•Ο διδάσκων διατηρεί το δικαίωμα προφορικής εξέτασης φοιτητώνγια ασκήσεις που θα παραδοθούν και για τις οποίες αυτό θα κριθείαναγκαίο.

Τ ή φέ ά δύ άδ λ ό β θ ό

Εργαστήριο: Σχεδίαση και SPICE προσομοίωση κυκλωμάτων. Υλοποίηση κυκλωμάτων σε breadboard και μετρήσεις. 

ΔιαδικαστικάΔιαδικαστικά IIII

• Τα εργαστήρια συνεισφέρουν κατά δύο μονάδες στον τελικό βαθμό τουμαθήματος εφ' όσων έχει υπάρξει επιτυχής παρακολούθηση όλων τωνεργαστηριακών ασκήσεων και επιτυχής εξέταση με την ολοκλήρωση τουεργαστηρίου, σε άλλη περίπτωση η συνεισφορά μειώνεται ανάλογα μετην επίδοση.

• Οι εγγραφές στο εργαστήριο θα γίνουν στην πλατφόρμα ecourse (βλ.σχετική ανακοίνωση).

Σ ί ί ί ά άδ ύ

Μικροηλεκτρονική 6

• Σε περίπτωση μίας απουσίας χάνονται οι μονάδες που αντιστοιχούν στησχετική άσκηση. Αν υπάρξει και δεύτερη απουσία το εργαστήριο θαπρέπει να επαναληφθεί την επόμενη χρονιά.

• Τις εβδομάδες πριν και μετά το Πάσχα τα εργαστήρια θα γίνουν κανονικά.

4

ΔιαδικαστικάΔιαδικαστικά IIIIΙΙΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ 2019

ΤΜΗΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1η ΑΣΚΗΣΗ 2η ΑΣΚΗΣΗ 3η ΑΣΚΗΣΗ 4η ΑΣΚΗΣΗ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ

Α‐Β 26‐Φεβ 19‐Μαρ 2‐Απρ 16‐Απρ 14‐Μαϊ 28‐Μαϊ

Γ‐Δ 5‐Μαρ 26‐Μαρ 9‐Απρ 7‐Μαϊ 21‐Μαϊ 28‐Μαϊρ ρ ρ

o ΤΜΗΜΑΤΑ Α & Γ:  Τρίτη 10:00 – 13:00o ΤΜΗΜΑΤΑ Β & Δ:  Τρίτη 14:00 – 17:00

• Κάθε άσκηση θα είναι κοινή για όλους και απαιτεί προετοιμασία απότο σπίτι!

Μικροηλεκτρονική 7

• Εξέταση κάθε άσκησης στο εργαστήριο και τελική εξέταση εξαμήνου.

• Προσέλευση στην προκαθορισμένη ώρα.

Εργαστήριο ΗλεκτρονικήςΕργαστήριο Ηλεκτρονικής

Β.24‐25

Μικροηλεκτρονική 8

5

Εργαστηριακός ΕξοπλισμόςΕργαστηριακός Εξοπλισμός

Μικροηλεκτρονική 9

Βιβλιογραφία (Ι)Βιβλιογραφία (Ι)

Μικροηλεκτρονικά ΚυκλώματαAdel Sedra – Kenneth SmithΕκδόσεις: Παπασωτηρίου / Oxford University Press

ΜικροηλεκτρονικήRichard C. Jaeger – Travis BlalockΕκδόσεις: Τζιόλα / McGraw Hill

Εκδόσεις: Παπασωτηρίου / Oxford University Press

ΜικροηλεκτρονικήJacob Millman – Arvin Grabel

Μικροηλεκτρονική 10

Εκδόσεις: Τζιόλα / McGraw Hill

ElectronicsAllan R. HambleyΕκδόσεις: Prentice Hall

6

Electric Circuit AnalysisD. Johnson – J. Johnson – J. Hilburn – P. ScottΕ δό P ti H ll

Βιβλιογραφία (ΙΒιβλιογραφία (ΙII))

Ανάλυση Κυκλωμάτων και ΣημάτωνGiorgio Rizzoni Εκδόσεις: Παπαζήση / McGraw Hill

Εκδόσεις: Prentice Hall

Basic Circuit TheoryCharles Desoer Ernest Kuh

Μικροηλεκτρονική 11

Charles Desoer – Ernest KuhΕκδόσεις: McGraw Hill

Μαθήματα Υλικού στο Τμήμα ΜΗΥΠΜαθήματα Υλικού στο Τμήμα ΜΗΥΠ

Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών IIΑρχιτεκτονική Υπολογιστών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών IIII

ΜικροεπεξεργαστέςΜικροεπεξεργαστές

Δοκιμή & Αξιοπιστία Δοκιμή & Αξιοπιστία Ηλεκτρονικών ΣυστημάτωνΗλεκτρονικών Συστημάτων

Ψηφιακή Σχεδίαση Ψηφιακή Σχεδίαση IIII

Μικροηλεκτρονική 12

Ψηφιακή Σχεδίαση Ψηφιακή Σχεδίαση II

Βασικές Αρχές ΚυκλωμάτωνΒασικές Αρχές Κυκλωμάτων ΗλεκτρονικήΗλεκτρονική ΚυκλώματαΚυκλώματα VLSIVLSI

7

Βέλτιστη Επιλογή ΠαρακολούθησηςΒέλτιστη Επιλογή Παρακολούθησης

Ψηφιακή ΣχεδίασηΨηφιακή Σχεδίαση II Βασικές Αρχές ΚυκλωμάτωνΒασικές Αρχές Κυκλωμάτων

ΗλεκτρονικήΗλεκτρονική

Ψηφιακή Σχεδίαση Ψηφιακή Σχεδίαση ΙΙΙΙ Κυκλώματα Κυκλώματα VLSIVLSI

Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών II Δοκιμή & Αξιοπιστία Δοκιμή & Αξιοπιστία Ηλεκτρονικών ΣυστημάτωνΗλεκτρονικών Συστημάτων

Μικροηλεκτρονική 13

Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών IIΙΙ

ΜικροεπεξεργαστέςΜικροεπεξεργαστές

Μεταπτυχιακός ΚύκλοςΜεταπτυχιακός Κύκλος

Σύ Α ή Υ λ ώΣύ Α ή Υ λ ώ

Εισαγωγή στα Συστήματα ΥλικούΕισαγωγή στα Συστήματα Υλικού

Σύγχρονη Αρχιτεκτονική ΥπολογιστώνΣύγχρονη Αρχιτεκτονική Υπολογιστών

Αξιόπιστα Ολοκληρωμένα ΣυστήματαΑξιόπιστα Ολοκληρωμένα Συστήματα

Ολοκληρωμένα Συστήματα Τριών ΔιαστάσεωνΟλοκληρωμένα Συστήματα Τριών Διαστάσεων

Μικροηλεκτρονική 14

Ενσωματωμένα Συστήματα για Ενσωματωμένα Συστήματα για ΙοΤΙοΤ ΕφαρμογέςΕφαρμογές

Ρομποτικά ΣυστήματαΡομποτικά Συστήματα

8

Προσανατολισμοί !Προσανατολισμοί !

Program CodeProgram CodeHardwareHardwareOverheadOverhead

Μικροηλεκτρονική 15

Hellenic Emerging Technologies Industry Association – HETiAhttps://hetia.org/

Και Και ΕγέννετωΕγέννετω ““ΦωςΦως””

Μικροηλεκτρονική 16

ENIAC18000 λυχνίες

9

Το Τρανζίστορ!Το Τρανζίστορ!

Το πρώτο τρανζίστορ MOS!

Τρανζίστορ στα 180nm – 2000

Μικροηλεκτρονική 17

Bell Labs – 1947

Το Το MOS MOS ΤρανζίστορΤρανζίστορ

45nm

Μικροηλεκτρονική 18

Intel – 2007

10

Διασυνδέσεις ΤρανζίστορΔιασυνδέσεις Τρανζίστορ

Μικροηλεκτρονική 19

Μια Εσωτερική ΜατιάΜια Εσωτερική Ματιά

Μικροηλεκτρονική 20

11

Στα όρια της ΤεχνολογίαςΣτα όρια της Τεχνολογίας

Μικροηλεκτρονική 21

ΜικροηλεκτρομηχανικάΜικροηλεκτρομηχανικά ΣυστήματαΣυστήματα

MEMS

Μικροηλεκτρονική 22

12

Νέες ΤεχνολογίεςΝέες Τεχνολογίες

14nm

Μικροηλεκτρονική 23

FinFET Carbon Nanotubes

Νέες ΤεχνολογίεςΝέες Τεχνολογίες

ITRS Roadmapp

Μικροηλεκτρονική 24

13

Σχεδίαση Ολοκληρωμένων ΚυκλωμάτωνΣχεδίαση Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων

Μικροηλεκτρονική 25

Κατασκευή Ολοκληρωμένων ΚυκλωμάτωνΚατασκευή Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων

Chip

12’’ – 300mm

Μικροηλεκτρονική 26

Wafer

Die

14

Διαδικασία Σχεδίασης ΟΚΔιαδικασία Σχεδίασης ΟΚ

Μικροηλεκτρονική 27

ITRS

M6

M5

Κλιμάκωση της ΤεχνολογίαςΚλιμάκωση της Τεχνολογίας

M5

M4

M3

M2

Cu

Low k

Μικροηλεκτρονική 28

M1

Very Deep SubmicronNanometer Era

Tungsten

15

AMD Barcelona65nm CMOS

Εξέλιξη της ΤεχνολογίαςΕξέλιξη της Τεχνολογίας

22nm CMOS65nm CMOS

??

22nm CMOS

eDRAM

ROM

DSP

Fl h

μC

Analogue

BISTBIST

Μικροηλεκτρονική 29

eSRAM RF

eFlash

Ολοκληρωμένα ΣυστήματαΟλοκληρωμένα Συστήματα

Μικροηλεκτρονική 30

SystemsSystems‐‐onon‐‐aa‐‐Chip (Chip (SoCSoC))

16

Ολοκλήρωση Τεχνολογιών σεΟλοκλήρωση Τεχνολογιών σε SoCSoC

Μικροηλεκτρονική 31

Ολοκλήρωση τεχνολογιών στην βασικήδιαδικασία κατασκευής

ITRS‐99

System Design AspectsSystem Design Aspects Physical Design AspectsPhysical Design Aspects

Embedded MemoryEmbedded Memory•• crosstalkcrosstalk•• noisenoise

Embedded MemoryEmbedded Memory•• crosstalkcrosstalk•• noisenoise

Embedded SoftwareEmbedded Software•• H/S codesignH/S codesign

fl ibilitfl ibilit

Embedded SoftwareEmbedded Software•• H/S codesignH/S codesign

fl ibilitfl ibilit

Data StorageData Storage•• single/multi portsingle/multi port

hi h fhi h f

Data StorageData Storage•• single/multi portsingle/multi port

hi h fhi h f

Global BusGlobal Bus•• protocolprotocol•• bandwidthbandwidth•• signal propagationsignal propagation

Global BusGlobal Bus•• protocolprotocol•• bandwidthbandwidth•• signal propagationsignal propagation

Θέματα στη Σχεδίαση Θέματα στη Σχεδίαση SoCSoC ΕφαρμογώνΕφαρμογών

IP (reusable core)IP (reusable core)•• reusabilityreusability•• standardizationstandardization•• H/S codesignH/S codesign•• clock synchronizationclock synchronization•• clock skewclock skew

IP (reusable core)IP (reusable core)•• reusabilityreusability•• standardizationstandardization•• H/S codesignH/S codesign•• clock synchronizationclock synchronization•• clock skewclock skew

Supply NetworkSupply Network•• lowlow--power/voltagepower/voltage•• noisenoise•• decouplingdecoupling•• electromigrationelectromigration

Supply NetworkSupply Network•• lowlow--power/voltagepower/voltage•• noisenoise•• decouplingdecoupling•• electromigrationelectromigration

•• flexibilityflexibility•• flexibilityflexibility •• high performancehigh performance•• high performancehigh performance •• signal propagationsignal propagation•• crosstalkcrosstalk•• signal propagationsignal propagation•• crosstalkcrosstalk

Clock NetworkClock Network•• clock gatingclock gating•• clock domainsclock domains•• phase synchronisationphase synchronisation•• clock skewclock skew•• clock tree synthesisclock tree synthesis•• optimal flip flopsoptimal flip flops

Clock NetworkClock Network•• clock gatingclock gating•• clock domainsclock domains•• phase synchronisationphase synchronisation•• clock skewclock skew•• clock tree synthesisclock tree synthesis•• optimal flip flopsoptimal flip flops

Local busesLocal buses•• high speedhigh speedLocal busesLocal buses•• high speedhigh speed

Μικροηλεκτρονική 32

•• dcdc--dc conversiondc conversion•• dual thresholddual threshold•• tripletriple--wellwell•• SOISOI

•• dcdc--dc conversiondc conversion•• dual thresholddual threshold•• tripletriple--wellwell•• SOISOI

Supply PadsSupply Pads•• EMCEMC•• noisenoise•• electromigrationelectromigration

Supply PadsSupply Pads•• EMCEMC•• noisenoise•• electromigrationelectromigration

Glue LogicGlue LogicGlue LogicGlue Logic

Clock DomainsClock DomainsClock DomainsClock Domains

Analog FunctionsAnalog Functions•• analog interfaceanalog interface•• substrait noisesubstrait noise

Analog FunctionsAnalog Functions•• analog interfaceanalog interface•• substrait noisesubstrait noise

•• high speedhigh speed•• high speedhigh speed

I/O padsI/O pads•• EMCEMC•• bandwidthbandwidth•• standard interfacesstandard interfaces•• dI/dt noisedI/dt noise

I/O padsI/O pads•• EMCEMC•• bandwidthbandwidth•• standard interfacesstandard interfaces•• dI/dt noisedI/dt noise

17

Γενική Μεθοδολογία ΕργασίαςΓενική Μεθοδολογία Εργασίας (I)(I)

Αρχικό Κύκλωμα Μετασχηματισμός με χρήση ΙσοδύναμουΚυκλώματος (Mοντέλο)

(Ζητούμενα IC, VCE)Β C

RC=1KΩ

npn

ΙΒ

ΙΕ

ΙCC

B

E Ε

+

−

IC=βΙΒ

VBE=0.7V

RC=1KΩRΒ=270KΩ

ΙΒ

ΙΕ

ΙC

RE=1KΩ

Μικροηλεκτρονική 33

Μοντέλο Κοινού Εκπομπού Ενεργού Περιοχής

RΒ=270KΩ

VΕΕ=10V+

−RE=1KΩ

VΕΕ=10V+

E

−

(β=100)

Εφαρμογή Κανόνων Kirchhoff IBRB + VBE + IERE – VEE = 0

IE– (IB + ΙC) = 0

KVL

Γενική Μεθοδολογία ΕργασίαςΓενική Μεθοδολογία Εργασίας (II)(II)

Β C KCL

mA0251.0R)β1(R

VVI

EB

BEEEB

IC = βIΒ = 2.51mA

(β=100)

Ε

+

‐

IC=βΙΒ

VBE=0.7V

RC=1KΩRΒ=270KΩ

ΙΒ

ΙΕ

ΙC

RE=1KΩ

Μικροηλεκτρονική 34

ICRC + VCE + IERE – VEE = 0

V96.4Rβ

β1RIβVV ECBEECE

KVL

end

VΕΕ=10V+

E

−

18

Ο Διαβολάκος του Ο Διαβολάκος του MaxwellMaxwell!!

Μικροηλεκτρονική 35

Πληροφορία  Αντεντροπία

1 bit 10‐23 Joule/oK