Evolução dos dispositivos semicondutores Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica Evolução dos dispositivos semicondutores Prof. Marlio Bonfim TE201 - Projeto de Circuitos Integrados Digitais Abril de 2003

Década de 40 1945 - os laboratórios Bell estabeleceram um grupo formado por William Shockley, John Bardeen, Walter Brattain e outros para desenvolver um substituto para as válvulas. 1947 - Invenção do 1º transistor de germânio: Bardeen e Brattain obtiveram sucesso ao criar um circuito amplificador com um dispositivo de contato de ponto, inicialmente chamado “transfer resistance”, sendo chamado mais tarde de transistor. 1948 - Bardeen e Brattain patentearam a invenção sob o título: "Three Electrode Circuit Element Utilizing Semiconductive Materials”. O transistor de contato de ponto era difícil de produzir e foi substituído posteriormente pelo transistor de junção.

Década de 50 1950 – Desenvolvido pela Texas um método para produzir tarugos de germânio com junções crescidas, abrindo o caminho para a fabricação do transistor de junção. 1951 - Shockley desenvolveu o transistor de junção: forma mais prática do transistor, tornando sua produção em massa mais barata 1952 - O silício monocristalino é fabricado 1954 - Primeiro transistor comercial de silício: é lançado em maio pela Texas instrumentos. Construídos a partir de uma barra retangular de um cristal do silício, crescido a partir do silício fundido dopado com impurezas. Os transistores de silício eram mais baratos e operavam em temperaturas superiores ao germânio. 1954 - Laboratórios Bell desenvolvem processos de oxidação, fotogravação, difusão e corrosão, que são usados na produção do CI até os dias atuais. 1956 - Bardeen, Brattain e Shockley ganham o prêmio de Nobel de física pela invenção do transistor

Década de 50 1954 - O primeiro rádio a transistor Regency Tr-1 é introduzido no mercado. Tinha um circuito com quatro transistores de germânio. 1955 - Os laboratórios Bell fabricaram o primeiro transistor de efeito de campo. 1958 - O circuito integrado é inventado por Jack Kilby: elementos de circuito tais como os resistores, capacitores e transistor foram integrados em uma única pastilha. O primeiro CI continha um oscilador com cinco componentes integrados. O inconveniente é que os elementos do circuito foram conectados com fios de ouro, tornando o circuito complexo e difícil de escalonar.

Década de 50 1959 - Invenção da tecnologia planar: uma fina camada isolante de dióxido do silício é depositada sobre o semicondutor, sendo abertos furos nas regiões de contato com as junções. Uma segunda camada condutora de metal é depositada sobre o SiO2, sendo em seguida gravada sob um padrão definido (máscara) para interconectar os elementos de circuito. A tecnologia planar abriu as portas para a fabricação em massa de circuitos integrados complexos e é o processo usado até hoje.

Década de 60 1960 - Deposição epitaxial: laboratórios Bell desenvolveram a técnica por meio da qual uma camada de material monocristalino é depositada em uma substrato cristalino. 1960 - os laboratórios Bell fabricam o primeiro MOSFET. 1961 - Primeiros CIs comerciais: Fairchild e Texas instrumentos. 1962 - Inventada a Lógica TTL - a indústria do semicondutor ultrapassa USUS$ 1 bilhão 1963 - Primeiros CIs comerciais MOS: RCA 1963 - O CMOS: Frank Wanlass da Fairchild publicou a idéia do circuito MOS-complementar (CMOS). A potência estática dissipada era 6 ordens de grandeza inferior à de um circuito TTL equivalente. Hoje o CMOS é à base da grande maioria de CI’s de alta densidade. 1965 – Primeiros registradores de deslocamento: 100-bit com 600 transistores

Década de 60 1965 - A lei de Moore: em 1965 Gordon Moore da Fairchild observou que o número dos componentes por unidade de área de um CI dobrava a cada ano Esta observação tornou-se conhecida como a lei de Moore, sendo o período posteriormente corrigido para 18 meses. Esta lei continua válida até hoje. 1966 – Primeira Memória bipolar estática: 16-bit, desenvolvida pela IBM para a NASA. 1966 - Primeiras portas ECL (Emitter Coupled Logic): Motorola, maior velocidade de operação. 1966 - Primeira Memória dinâmica DRAM: célula de memória baseada na carga e descarga de um capacitor acionada por um único FET. Virtualmente todas as DRAMs modernas são baseadas no mesmo princípio. 1967 - Primeira Memória de porta flutuante (EPROM): desenvolvida nos laboratórios Bell, é baseada em MOSFET com dupla porta, uma das quais isolada. 1969 - Tecnologia BiCMOS: associa o baixo consumo do CMOS à alta capacidade de corrente do bipolar.

Década de 70 1970 – 1ª DRAM comercial:1Kbits, processo PMOS com porta de silício, 6 níveis de máscaras com dimensões mínimas de 8µm, chip com 10mm2, US$21. 1971 – Inventada a UVEPROM: memória eletricamente programável, podendo ser apagada com luz ultravioleta intensa. 1971 - Inventado o microprocessador: a Intel produziu microprocessador de 4-bit 4004. Os 4004 eram um chipset composto por uma ROM de 2kbit, uma RAM de 320bit e o processador de 4bit, cada um com 16 pinos. O processador 4004 requereu aproximadamente 2.300 transistores, PMOS com porta de silício, com dimensões mínimas de 10µm, freqüência de "clock" de 108KHz e tamanho da pastilha 13.5mm2. 1972 - Inventado o DSP: engenheiros da Westinghouse patentearam o dispositivo sob o título "Programmable Digital Signal Processor".

Década de 70 1972 - Teoria do escalonamento do MOSFET: permitiu a melhoria das características dinâmicas do MOSFET, superando o bipolar que dominava naquela época. 1972 – Lançamento do microprocessador Intel 8008: sucessor dos 4004, foi usado no Mark-8, um dos primeiros computadores pessoais domésticos. Possuía 3.500 transistores, processo PMOS com porta de silício e dimensões mínimas de 10µm, 1 camada de polysilício e 1 camada de metal, freqüência de "clock" de 200kHz e tamanho da pastilha de 15.2mm2. 1973 - Primeiros BiCMOS comerciais: amplificadores operacionais de alto desempenho. 1973 - Técnica de impressão por projeção fotolitográfica: permitiu a redução das dimensões mínimas e aumento do “yeld” de fabricação. 1974 - DRAM de 4Kbit com célula de 1 Transistor: usava processo NMOS com porta de silício, 6 máscaras, dimensões mínimas de 8µm, tamanho da pastilha de aproximadamente 15mm2 e vendido por US$18.

Década de 70 1974 - Lançamento do microprocessador Intel 8080: sucessor dos 8008, processo NMOS com dimensões mínimas de 6µm com porta de silício, 1 camada de polysilício e 1 camada de metal, 6.000 transistores, freqüência de "clock" de 2MHz e um tamanho da pastilha de 20.0mm2. 1976 - DRAM de 16Kbit: possuía dupla camada de polysilício permitindo uma disposição mais eficiente da pilha de memória. 1978 - Microprocessadores 8086/8088 da Intel: processo NMOS com porta de silício, dimensões mínimas de 3µm, 1 camada do de polysilício e 1 camada de metal, 29.000 transistores, freqüência de "clock" de 10MHz e um tamanho da pastilha de 28.6mm2. Foram selecionados pela IBM em 1980 para comporem o IBM PC. 1978 - A indústria do semicondutor ultrapassa US$10 bilhões 1979 - DRAM de 64Kbits.

Década de 80 1980 - DSPs comerciais: lançados inicialmente pela Lucent e NEC. 1982 - Microprocessadores Intel 80286: sucessor do 8086, mantendo compatibilidade de software. Processo CMOS com porta de silício, dimensões mínimas de 1.5µm, 1 camada de polysilício e 2 camadas de metal, 134.000 transistores, freqüência de "clock" de 12MHz e um tamanho da pastilha de 68.7mm2. 1983 - DRAM de 1Mbit : 1ª DRAM em processo CMOS 1983 - EEPROM de 16Kbit: memória estática baseado na tecnologia NMOS de porta flutuante, programável e apagável eletricamente, 2 transistores por célula. 1984 - Memória flash: baseada na EEPROM, com a vantagem de possuir apenas 1 transistor por célula e apagamento rápido por blocos (o termo flash vem desta característica). Lançada comercialmente em 1985 pela Toshiba, 256Kbit. 1985 - Microprocessador Intel 80386DX: primeiro processador de 32 bits da Intel. Processo CMOS com porta de silício,dimensão mínima de 1.5µm, 10 níveis de máscara, 1 camada de polysilício e 2 camadas de metal, 275.000 transistores, freqüência de "clock" de 33MHz e tamanho da pastilha de 104mm2.

Década de 80 1986 - Memória flash ETOX de 256Kbit: “EPROM Tunnel Oxide”, permite operação em baixas tensões. Tipo mais comum de memória flash atualmente. 1986 - DRAM de 1Mbit em tecnologia não planar: início da tecnologia de células empilhadas ou tipo trincheiras, resultando em aumento da densidade de armazenamento. 1988 – DRAM de 4Mbit. 1989 - Intel 80486DX: primeiro processador de Intel incluindo coprocessador de ponto flutuando executando 1 instrução por o ciclo de "clock". Processo CMOS com porta de silício,largura mínima de 1.0µm, 12 níveis de máscara,1 camada de polysilício e 3 camadas de metal, 1,2 milhão de transistores, freqüência de "clock" de 50MHz e um tamanho da pastilha de 163mm2.

Década de 90 1991 - DRAM de 16Mbit. 1993 - Intel Pentium: primeiro processador de Intel capaz de executar mais de 1 instrução por ciclo de "clock". Processo BiCMOS com porta de silício, largura mínima de 0.8µm, 18 níveis de máscara, 1 camada de polysilício, 3 camadas de metal, 3,1 milhão transistores, freqüência de "clock" de 66MHz e um tamanho da pastilha de 264mm2. 1994 - A indústria do semicondutor ultrapassa a casa dos US$100 bilhões. 1994 - DRAM de 64Mbit: CMOS com 3 a 5 camadas do polisilício, 2 a 3 camadas de metal e dimensões mínimas de 0.35µm.

Década de 90 1995 - Intel Pentium Pro: integra em um mesmo encapsulamento o chip do processador e a memória cache, ambos operando à mesma frequüência. Processo BiCMOS com porta de silício, largura mínima de 0.35µm, 20 níveis de máscara, 1 camada de polysilício, 4 camadas de metal, 5,5 milhões de transistores, freqüência de "clock" de 200MHz e um tamanho da pastilha de 310mm2 (processador).

Década de 90 1997 - Intel Pentium II: Processo CMOS com porta de silício, largura mínima de 0.35µm, 16 níveis de máscara,1 camada de polysilício, 4 camadas de metal, 7,5 milhão transistores, freqüência de "clock" de 300MHz e um tamanho da pastilha de 209mm2. 1998 - 256Mbit DRAM: introduziu o uso de dielectricos de elevada permissividade, representando a quarta principal inovação das DRAMs. CMOS com 4 a 5 camadas do polisilício, 2 a 3 camadas de metal, dimensões mínimas de 0.25µm, pastilha de 204mm2. 1999 - Intel Pentium III: que de o Pentium III retornou a um pacote mais padrão de PGA e integrou o esconderijo na microplaqueta. Processo CMOS com porta de silício, largura mínima de 0.18µm, 21 níveis de máscara e teve 1 camada de polysilício e 6 camadas de metal, o Pentium III tiveram 28 milhão transistores, freqüência de "clock" de 733MHz e um tamanho da pastilha de 140mm2.

Anos 2000 2000 – Intel Pentium 4: introduziu uma unidade de processamento inteiro que funciona duas vezes mais rápido que o processador. Processo CMOS com porta de silício, largura mínima de 0.18µm, 21 níveis de máscara, 1 camada de polysilício e 6 camadas de metal, 42 milhões de transistores, freqüência de "clock" de 1,5GHz e um tamanho da pastilha de 224mm2. 2001 – Intel Xeon: baseado na arquitetura NetBurst, 1.5V, 85W a uma freqüência de "clock" de 3GHz 2002 – Intel Itanium: usa a tecnologia de instrução explicitamente paralela (EPIC), possibilitando execução simultanea de instruções múltiplas. 25 milhões de transistores na CPU, 300 milhões na memória cache de 2MBytes, freqüência de "clock" de 1GHz.

Evolução dos microprocessadores

Densidade de transistores

Tamanho da pastilha

Dimensões minimas