V - LEOM
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Systèmes électroniques Introduction Fonctions électroniques analogiques amplification, filtrage, oscillation Conversion Analogique-Numérique Fonctions numériques Microprocesseur [email protected] Systèmes Electroniques - 2002-2003 1 Exemple de système Digital Camera Systèmes Electroniques - 2002-2003 2 Exemple de système Capteur: CCD image sensor zone active Systèmes Electroniques - 2002-2003 3 Exemple de système énergie to n pho pho ton Capteur: Effet Photoélectrique Conduction Band 1.26eV Valence Band 9 9: trou 9 -: électron Les porteurs générés thermiquement sont indissociables des porteurs générés par effet photoélectrique : courant d ’obscurité Le silicium est transparent pour les longueurs d ’onde supérieures à 1µm Systèmes Electroniques - 2002-2003 4 Exemple de système Capteur: CCD (charge coupled device) Interline Transfer zone photosensible registre Phase 1: acquisition Phase 2: transfert vers les registres Phase 3: transfert de la 1ère ligne vers le registre horizontal Phase 4: nouveau transfert Systèmes Electroniques - 2002-2003 5 Exemple de système Capteur: CCD (charge coupled device) Frame Transfer zone image zone registre Les n lignes sont transfèrées dans les registres en n coups d ’horloge Systèmes Electroniques - 2002-2003 6 Exemple de système Capteur: acquisition Systèmes Electroniques - 2002-2003 7 Exemple de système Capteur: transfert vers les registres Systèmes Electroniques - 2002-2003 8 Exemple de système Capteur: transfert de la première ligne Systèmes Electroniques - 2002-2003 9 Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne Systèmes Electroniques - 2002-2003 10 Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne Systèmes Electroniques - 2002-2003 11 Exemple de système Capteur: transfert des charges SiO2 N P Photons incidents Les photons génèrent des paires électron-trou. Les electrons sont accumulés sous les électrodes de potentiel le plus élevé. Systèmes Electroniques - 2002-2003 12 Exemple de système Capteur: transfert des charges Charge accumulée N Energie P Les charges occupent les zones de potentiel le plus élevé Systèmes Electroniques - 2002-2003 13 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques - 2002-2003 14 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques - 2002-2003 15 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques - 2002-2003 16 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques - 2002-2003 17 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques - 2002-2003 18 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques - 2002-2003 19 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques - 2002-2003 20 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques - 2002-2003 21 introduction ¾électronique analogique/numérique v(t) t t ¾conversion analogique/numérique ¾échantillonnage Systèmes Electroniques - 2002-2003 22 introduction filtre PB 3,4 kHz V(f) f éch. 8 kHz V(f) fmax f fmax 2.048 Mbits/s 64 kbits/s v1(t) v*(t) t 32 ech.=125µs Systèmes Electroniques - 2002-2003 1 ech.=125µs 32 voies mux CAN CAN 8 bits 8 bits t 23 matériau SC Colonne IV: Si, Ge Alliages III-V: AsGa, InP le nombre de porteurs pouvant participer à la conduction est modulable : par apport d ’énergie thermique ou lumineuse ¾ en dopant le matériau (impuretés de la colonne V (As, P…) ou III (Ga, B…) dans la maille cristalline ¾ Systèmes Electroniques - 2002-2003 24 matériau SC hν ν cristal de Si à la température T As Si dopage Systèmes Electroniques - 2002-2003 25 matériau SC conduction dans les matériaux SC ¾ conduction par champ électrique (dérive) E j = σE ¾ conduction par diffusion j = −D.grad(n) = −D Systèmes Electroniques - 2002-2003 ∂n ∂x 26 jonction PN P N E B- conduction par champ Systèmes Electroniques - 2002-2003 As+ diffusion 27 jonction PN P N E Ô conduction par champ diffusion courant intense Systèmes Electroniques - 2002-2003 28 jonction PN P N E Ò conduction par champ diffusion courant faible Systèmes Electroniques - 2002-2003 29 jonction PN i i P N v v i i R v Systèmes Electroniques - 2002-2003 30 composant de base : le transistor S N P E B N C P G D N P bipolaire C MOS D Ic Ids Ib Vce B Vgs E Ic IbÒ Vce Systèmes Electroniques - 2002-2003 Ids S Vds VgÒ Vds 31 composant de base : le transistor 1er modèle : interrupteur commandé D C Ic Ib G Vce B Vds E Vgs Xc Xc « petit »: interrupteur ouvert (Ip=0) Systèmes Electroniques - 2002-2003 Ids S Ip Vp Xc « grand »: interrupteur fermé (Vp=0) 32 composant de base : le transistor Ic Ids IbÒ VgÒ Vce Vds R R Ip=0 Vs=Vdd 0 Systèmes Electroniques - 2002-2003 Ip=Vdd/R 1 Vs=0 33 composant de base : le transistor Vdd Ic=0 Ib=0 Vce≈Vdd Ve=0 R Vdd Vdd Ids=0 Vds≈Vdd Vgs=0 Systèmes Electroniques Ve Vs - 2002-2003 34 composant de base : le transistor Vdd IcÒ Ib Vce≈0 Ve=Vdd R Vdd Vdd IdsÒ0 Vds≈0 Vgs=Vdd Systèmes Electroniques Ve Vs - 2002-2003 35 composant de base : le transistor 2ème modèle : source de courant contrôlée D C Ic Ib G Vce B Ids Vds Vgs E B S G Ib Ic = β Ib Systèmes Electroniques - 2002-2003 Vgs Ids = f(Vgs) 36 composant de base : le transistor 2ème modèle : source de courant contrôlée Vdd Ic Ic Ib Ib Vce Vs= Vce Ve Vs Vbe B S Systèmes Electroniques - 2002-2003 Ve 37 composant de base : le transistor Vs fonctionnement linéaire blocage saturation Ve circuits logiques électronique de puissance autres (timer, …) Systèmes Electroniques - 2002-2003 circuits linéaires 38 circuits intégrés substrat (Si) gravure (HF ou plasma) oxyde (SiO2) résine UV masque Systèmes Electroniques - 2002-2003 39 circuits intégrés dépôt poly-Si dépôt d'oxyde oxydation gravure poly-Si ouverture des contacts gravure gravure oxyde mince dépôt de métal oxydation (grille) implantation-diffusion gravure du métal Systèmes Electroniques - 2002-2003 40 circuits intégrés deux grandes familles technologiques: CMOS et bipolaire ∆t I C ∆V diminution du paramètre techno. diminution des tensions compromis vitesse - consommation Systèmes Electroniques - 2002-2003 ∆t = C ∆V I 41 circuits intégrés CMOS nMOS technologie CMOS Systèmes Electroniques - 2002-2003 pMOS 42 circuits intégrés CMOS D D G Vgs G Vgs S nMOS Vgs≅Vdd Vgs ≅ 0 Systèmes Electroniques - 2002-2003 S pMOS S D S D Vgs≅-Vdd Vgs ≅ 0 43 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Valim Valim pMOS E S E S nMOS Systèmes Electroniques - 2002-2003 44 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Valim S=0 1 = E E E S E= 0 S 0 1 1 0 E S S=1 Systèmes Electroniques - 2002-2003 45 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur grille Valim E n+ S n+ p+ p+ substrat p Vref Systèmes Electroniques - 2002-2003 caisson n transistor n transistor p 46 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Systèmes Electroniques - 2002-2003 47 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Systèmes Electroniques - 2002-2003 48 circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND Valim A B A =1 B t e =1 S=0 S A =0 ou B =0 S=1 A B S 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 A B Systèmes Electroniques - 2002-2003 S 49 circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND Systèmes Electroniques - 2002-2003 50 circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR Valim A A =1 ou B =1 S=0 A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 B S A =0 et B =0 S=1 A B Systèmes Electroniques - 2002-2003 S 51 circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR Systèmes Electroniques - 2002-2003 52 circuits intégrés Systèmes Electroniques - 2002-2003 53 circuits intégrés évolution du nombre de transistors des µP Intel nb de trans. param. techno. 1,0E+08 P-III P-II 1,0E+07 12 10 P 8 80486 1,0E+06 6 1,0E+05 4 8086 1,0E+04 8080 2 4004 2000 1990 0 1980 1971 1,0E+03 loi de Moore : Ntr est multiplié par 1,4 par an Systèmes Electroniques - 2002-2003 54 circuits intégrés évolution de la fréquence d'horloge des µP Intel MHz fréquence d'horloge P-III 1000 P-II 100 P 80486 10 8086 8080 Systèmes Electroniques - 2002-2003 2000 1990 1980 1971 1 55 circuits intégrés 1972: 2500 transistors 4004 Systèmes Electroniques - 2000: >10 000 000 transistors P-II 2002-2003 56 circuits intégrés 300 1000 250 800 200 param ètre techno. (nm) 600 nom bre de transistors/cm 2 (en millions) 150 400 100 surface de la puce (mm2) 200 50 0 0 1995 2000 2005 2010 2015 20000 200 15000 150 3 2,5 2 nom bre d'E/S 10000 fréquence d'horloge (MHz) 5000 100 0 1995 1995 2005 Systèmes Electroniques 2010 - 2015 2002-2003 1 50 0 2000 1,5 puissance (W) alimentation (V) a 0,5 0 2000 2005 2010 2015 57 circuits intégrés hiérarchie système fonction porte circuit composant Systèmes Electroniques - 2002-2003 58 circuits intégrés salle blanche masque de lithographie Systèmes Electroniques - 2002-2003 fours de diffusion wafer 59 circuits intégrés boitiers "bonding" boitier DIL Systèmes Electroniques - 2002-2003 60 microsystèmes Systèmes Electroniques - 2002-2003 61
