A actual tendência na Europa é estimular a investigação e o desenvolvimento nas áreas das micro/nano tecnologias e dos micro/nano sistemas no silício, de forma a acompanhar o ritmo dos mercados americano e japonês. Estas tecnologias formam a base de uma nova geração de produtos, novas técnicas de fabrico e novas oportunidades de negócio. As micro/nano tecnologias estão a crescer exponencialmente, segundo dados da Comunidade Europeia, a que não é estranho o investimento feito em infra-estruturas.
A microelectrónica (com destaque para a tecnologia CMOS) e a micromaquinagem, novas tecnologias de base, são um factor de competitividade e de renovação tecnológica, em quase todos os sectores industriais.
Este livro destina-se a servir de texto de apoio às unidades curriculares de cursos do ensino superior de Engenharia das Universidades e Institutos Superiores de Engenharia (abrangendo o final do 1º ciclo, 2º ciclo e 3º ciclo). Mais, profissionais da área dos semicondutores e dos dispositivos biomédicos terão disponível um livro de base para consulta, com um capítulo dedicado às Aplicações industriais e biomédicas.
Pretende-se que os alunos e profissionais com interesse na área adquiram os conhecimentos, métodos, técnicas e acções de micro-engenharia que permita perceber: a Física dos semicondutores com ênfase no silício, a microelectrónica com destaque para o processo de fabrico em tecnologia CMOS e as técnicas de micromaquinagem do silício para a criação de microssensores e microactuadores, com destaque para as aplicações biomédicas. No fim de cada capítulo apresentam-se os enunciados de alguns problemas, seleccionados de modo a exemplificar os pontos fundamentais tratados nesse capítulo.
Prefácio XI
Nota dos Autores XIII
Lista de Abreviaturas XV
1. FÍSICA DOS SEMICONDUTORES 1
1.1. TEORIA DAS BANDAS DE ENERGIA 1
1.2. EXCITAÇÃO TÉRMICA DE ELECTRÕES 2
1.3. SEMICONDUTORES DO GRUPO IV 3
1.4. SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E ISOLANTES 4
1.5. SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS 5
1.5.1. IMPUREZAS DADORAS 5
1.5.2. IMPUREZAS ACEITADORAS 7
1.6. SEMICONDUTORES DE GAP DIRECTO E INDIRECTO 8
1.7. ELECTRÕES QUENTES 9
1.8. EFEITO DE GUNN 10
1.9. EFEITO DE HALL 10
REFERÊNCIAS 12
EXERCÍCIOS PROPOSTOS 12
2. O SILÍCIO E OUTROS MATERIAIS UTILIZADOS NA INDÚSTRIA DOS SEMICONDUTORES 15
2.1. ESTRUTURA CRISTALINA DO SILÍCIO 15
2.2. A IMPORTÂNCIA DO SILÍCIO NA INDÚSTRIA DOS SEMICONDUTORES 15
2.3. A DOPAGEM DO SILÍCIO PARA OBTENÇÃO DE REGIÕES DO TIPO P E DO TIPO N 16
2.4. PROPRIEDADES ÓPTICAS 16
2.5. PROPRIEDADES MECÂNICAS 19
2.6. PROPRIEDADES TÉRMICAS 22
2.7. WAFERS DE SILÍCIO E ORIENTAÇÃO CRISTALINA 22
2.8. PHOTORESIST E USO DE MÁSCARAS 22
2.9. DIÓXIDO POLISSILÍCIO, DIÓXIDO DE SILÍCIO, NITRETO DE SILÍCIO, METAIS 23
REFERÊNCIAS 26
EXERCÍCIOS PROPOSTOS 27
3. MICROELECTRÓNICA NO SILÍCIO 29
3.1. A MICROELECTRÓNICA 29
3.2. A TECNOLOGIA BIPOLAR, CMOS E BICMOS 29
3.3. TECNOLOGIA CMOS 32
3.3.1. INTRODUÇÃO ÀS TÉCNICAS BÁSICAS USADAS EM TECNOLOGIA CMOS 32
3.3.2. O PROCESSO N-WELL CMOS 2.0 M 32
3.3.3. DEFINIÇÃO DO N MOSFET E DO P MOSFET 35
3.3.4. MÁSCARA N-WELL (NW) 37
3.3.5. MÁSCARA ACTIVA (ACT ACTIVE) 39
3.3.6. MÁSCARA N-WELL INVERTIDA (NWI) 39
3.3.7. MÁSCARA POLY 40
3.3.8. MÁSCARA DE DOPAGEM N (SN - SHALLOW N) 41
3.3.9. MÁSCARA DE DOPAGEM P (SP - SHALLOW P) 41
3.3.10. MÁSCARA CONTACTO (CO) 42
3.3.11. MÁSCARA METAL1 43
3.3.12. MÁSCARA CONTACTO2 (VIA) 43
3.3.13. MÁSCARA METAL2 44
3.3.14. MÁSCARA OVERLAYER (OVL - OVERLAYER) 45
3.3.15. LAYOUT FÍSICO DO INVERSOR 45
3.3.16. REGRAS DE LAYOUT FÍSICO 47
3.3.17. CÉLULAS STANDARD 50
3.3.18. ELEMENTOS PARASITAS 52
3.3.19. BONDINGPADS 54
REFERÊNCIAS 55
EXERCÍCIOS PROPOSTOS 55
4. MICROMAQUINAGEM NO SILÍCIO 59
4.1. MICROSSISTEMA NO SILÍCIO 59
4.2. PROCESSOS DE FABRICO 61
4.2.1. A MICROMAQUINAGEM VOLÚMICA 62
4.2.1.1. Soluções aquosas para a corrosão química do silício 62
4.2.1.2. CQSA de hidróxido de potássio 63
4.2.1.3. Técnicas de interrupção da corrosão química do silício 64
4.2.1.4. Fotolitografia na micromaquinagem 66
4.2.1.5. Índices de Miller 66
4.2.1.6. Corrosão anisotrópica 67
4.2.1.7. Micromaquinagem isotrópica 74
4.2.2. A MICROMAQUINAGEM SUPERFICIAL 74
4.2.3. O PROCESSO LIGA 76
4.2.4. RIE (REACTIVE ION ETCHING) 77
4.3. TÉCNICAS DE DEPOSIÇÃO DE FILMES FINOS 78
4.3.1. EVAPORAÇÃO 79
4.3.2. PULVERIZAÇÃO CATÓDICA (SPUTTERING) 81
4.3.3. CVD (CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION) 81
REFERÊNCIAS 83
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
5. INTRODUÇÃO À FÍSICA DOS MOSFETS E AMPLIFICADORES BÁSICOS 87
5.1. INTRODUÇÃO 87
5.2. INTRODUÇÃO À FÍSICA DOS MOSFETs 87
5.3. CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO 92
5.3.1. POLARIZAÇÃO EM TENSÃO 93
5.3.2. POLARIZAÇÃO POR FONTE DE CORRENTE 95
5.4. CIRCUITOS AMPLIFICADORES BASEADOS EM MOSFETs 96
5.4.1. CIRCUITO AMPLIFICADOR DE SOURCE COMUM 96
5.4.2. CIRCUITO SEGUIDOR DE SOURCE (OU AMPLIFICADOR DE DRAIN COMUM) 99
5.4.3. CIRCUITO AMPLIFICADOR DE GATE COMUM 104
REFERÊNCIAS 106
EXERCÍCIOS PROPOSTOS 106
6. CIRCUITOS DE RÁDIO-FREQUÊNCIA 111
6.1. INTRODUÇÃO 111
6.2. EMISSORES RECEPTORES DE RÁDIO FREQUÊNCIA 112
6.3. RECEPTORES 113
6.3.1. AMPLIFICADOR DE BAIXO RUÍDO 113
6.3.2. DETECTORES DE ENVOLVENTE 115
6.3.3. SWITCH DE RF 116
6.3.4. BUFFERS DE SAÍDA 116
6.4. EMISSORES 117
6.4.1. OSCILADORES RESSONANTES DO TIPO LC 118
6.4.1.1. Topologias e análise do funcionamento de osciladores LC 119
6.4.1.2. Dimensionamento de um oscilador LC 123
6.4.2. OSCILADORES A CRISTAL DO TIPO PIERCE 125
6.4.3. OSCILADORES EM ANEL (RING OSCILLATORS) 126
6.4.4. OSCILADORES CONTROLADOS POR TENSÃO 128
6.4.4.1. VCOs do tipo LC 129
6.4.4.2. VCOs do tipo ring oscillators 131
6.4.5. SINTETIZADORES DE FREQUÊNCIA (PLL - PHASE LOCKED LOOP) 133
6.4.5.1. PLL com divisão inteira na realimentação 135
6.4.5.2. Modelo linear da PLL 135
6.4.5.3. Detector de fase/frequência 137
6.4.5.4. Bomba de carga 139
6.4.5.5. Filtro de malha 143
6.4.5.6. Exemplo de análise da convergência de uma PLL 144
6.4.6. CIRCUITOS MISTURADORES DE FREQUÊNCIA (MIXERS) 145
6.4.6.1. Misturador activo com par diferencial e fonte de corrente controlada por tensão 147
6.4.6.2. Misturador activo baseado em célula de Gilbert 150
6.4.7. CIRCUITOS AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA (OU PA POWER AMPLIFIERS) 152
6.4.7.1. Considerações gerais 153
6.4.7.2. Classes de operação 154
6.4.7.3. Amplificadores lineares 154
6.4.7.4. Amplificador de classe A 156
6.4.7.5. Amplificador de classe B 158
6.4.7.6. Amplificador de classe C 159
6.4.7.7. Amplificador de classe AB 161
6.4.7.8. Amplificador de potência comutados 162
6.4.7.9. Amplificador de classe D 163
6.4.7.10. Amplificador de classe E 164
6.4.7.11. Amplificador de classe F 166
6.4.7.12. Comparação das classes de funcionamento 168
6.5. RF CMOS TRANSCEIVER A 2.4 GHz 169
REFERÊNCIAS 170
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
7. APLICAÇÕES 173
7.1. INTRODUÇÃO 173
7.2. CIRCUITOS DE RÁDIO-FREQUÊNCIA EM TECNOLOGIA CMOS PARA OS 5.7 GHZ 173
7.3. ANTENAS DO TAMANHO DE UM MICROCHIP 173
7.4. MICROESPECTRÓMETROS PARA A LUZ VISÍVEL (SINTONIZÁVEL E EM ETALON) 176
7.5. LAB-ON-A-CHIP 185
7.6. MATRIZ DE FOTODETECTORES PARA RAIOS-X EM TECNOLOGIA CMOS 187
7.7. APLICAÇÕES TERMOELÉCTRICAS 189
7.6. EEG SEM FIOS COMO APLICAÇÃO BIOMÉDICA PARA MICROSSISTEMAS DE RF 191
REFERÊNCIAS 194
EXERCÍCIOS PROPOSTOS 195
ÍNDICE REMISSIVO
João Paulo Carmo
Licenciou-se em Engenharia Electrotécnica pela Universidade do Porto e obteve o grau de Mestre pela mesma Universidade. Doutorado em Engenharia Electrónica Industrial na Universidade do Minho. Foi docente no Instituto Politécnico de Bragança e actualmente ocupa a posição de Investigador Auxiliar na Universidade do Minho, onde desenvolve investigação ligada às tecnologias de micro/nano fabricação, circuitos mistos e de rádio frequência, sensores integrados de estado sólido, microactuadores e micro/nano dispositivos para utilização em aplicações biomédicas.
José Higino Correia
Licenciou-se em Engenharia Física – ramo de Electrónica e Instrumentação pela Universidade de Coimbra. Doutorado pela Universidade de Delft, Holanda, com uma tese em microssistemas ópticos no silício para análise espectral.Professor Catedrático no Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do Minho. A sua actividade de I&D baseia-se na fabricação de microdispositivos (microssensores, micro-actuadores, microssistemas) para aplicações biomédicas.