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Systèmes Electroniques - 2002- 2003 1 Systèmes électroniques Introduction Fonctions électroniques analogiques amplification, filtrage, oscillation Conversion.

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1 Systèmes Electroniques Systèmes électroniques Introduction Fonctions électroniques analogiques amplification, filtrage, oscillation Conversion Analogique-Numérique Fonctions numériques Microprocesseur

2 Systèmes Electroniques Exemple de système Digital Camera

3 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: CCD image sensor zone active

4 Systèmes Electroniques Exemple de système énergie Valence Band Conduction Band 1.26eV photon : trou -: 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 Capteur: Effet Photoélectrique

5 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: CCD (charge coupled device) Interline Transfer Phase 1: acquisition Phase 2: transfert vers les registres Phase 3: transfert de la 1 ère ligne vers le registre horizontal Phase 4: nouveau transfert zone photosensibleregistre

6 Systèmes Electroniques 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

7 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: acquisition

8 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert vers les registres

9 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert de la première ligne

10 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne

11 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne

12 Systèmes Electroniques Photons incidents Les photons génèrent des paires électron-trou. Les electrons sont accumulés sous les électrodes de potentiel le plus élevé. Exemple de système Capteur: transfert des charges N P SiO2

13 Systèmes Electroniques Capteur: transfert des charges Exemple de système Energie P N Les charges occupent les zones de potentiel le plus élevé Charge accumulée

14 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

15 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

16 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

17 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

18 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

19 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

20 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

21 Systèmes Electroniques Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

22 Systèmes Electroniques introduction électronique analogique/numérique t v(t) t conversion analogique/numérique échantillonnage

23 Systèmes Electroniques mux CAN 8 bits introduction f V(f) f max f V(f) f max filtre PB 3,4 kHz éch. 8 kHz CAN 8 bits 32 voies t v*(t) 1 ech.=125µs 64 kbits/s t v 1 (t ) 32 ech.=125µs Mbits/s

24 Systèmes Electroniques 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 en dopant le matériau (impuretés de la colonne V (As, P…) ou III (Ga, B…) dans la maille cristalline

25 Systèmes Electroniques matériau SC As Si cristal de Si à la température T h dopage

26 Systèmes Electroniques matériau SC conduction dans les matériaux SC conduction par champ électrique (dérive) E conduction par diffusion

27 Systèmes Electroniques jonction PN PN As + B-B- E conduction par champ diffusion

28 Systèmes Electroniques jonction PN PN E conduction par champ diffusion courant intense

29 Systèmes Electroniques jonction PN PN E conduction par champ diffusion courant faible

30 Systèmes Electroniques jonction PN PN i v v i i v i R

31 Systèmes Electroniques composant de base : le transistor IbIb IcIc B E C V ds D S G IdsIds VgsVgs NPNNPP bipolaireMOS CEB DS V g V ds IdsIds V ce IcIc I b VceVce

32 Systèmes Electroniques composant de base : le transistor IbIb IcIc B E C IpIp XcXc VceVce 1 er modèle : interrupteur commandé X c « petit »: interrupteur ouvert (I p =0) X c « grand »: interrupteur fermé (V p =0) D S G IdsIds V ds VgsVgs VpVp

33 Systèmes Electroniques I b composant de base : le transistor R V s =V dd 0 Ip=0Ip=0 V g V ds IdsIds V ce IcIc R V s =0 1 I p =V dd /R

34 Systèmes Electroniques composant de base : le transistor R V dd VsVs VeVe I b =0 Ic=0Ic=0 VddVdd V e =0 V ce V dd I ds = 0 VddVdd V gs =0 V ds V dd

35 Systèmes Electroniques composant de base : le transistor R VddVdd VsVs VeVe IbIb I c VddVdd V e =V dd V ce 0 I ds 0 V dd V gs =V dd V ds 0

36 Systèmes Electroniques composant de base : le transistor IbIb IcIc B E C VceVce 2 ème modèle : source de courant contrôlée D S G IdsIds V ds VgsVgs I c = I b B IbIb I ds = f(V gs ) G VgsVgs

37 Systèmes Electroniques composant de base : le transistor 2 ème modèle : source de courant contrôlée IbIb IcIc VddVdd VeVe V s = V ce V ce IcIc IbIb VbeVbe VeVe VsVs S B

38 Systèmes Electroniques composant de base : le transistor VeVe VsVs saturation blocage fonctionnement linéaire circuits logiques électronique de puissance autres (timer, …) circuits linéaires

39 Systèmes Electroniques circuits intégrés substrat (Si) oxyde (SiO 2 ) résine masque UV gravure (HF ou plasma)

40 Systèmes Electroniques circuits intégrés oxydation (grille) gravure dépôt poly-Si gravure poly-Si gravure oxyde mince implantation-diffusion dépôt d'oxyde ouverture des contacts dépôt de métal gravure du métal

41 Systèmes Electroniques circuits intégrés deux grandes familles technologiques: CMOS et bipolaire C I t V diminution du paramètre techno. diminution des tensions compromis vitesse - consommation

42 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS technologie CMOSpMOS nMOS

43 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS pMOSnMOS VgsVgs D S G VgsVgs D S G V gs V dd V gs -V dd SD V gs 0 SD

44 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS pMOS nMOS ESES exemple : inverseur V alim

45 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS ES exemple : inverseur E=1 E=0 S=0 S=1 E01E01 S10S10 ES V alim

46 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS exemple : inverseur p+ caisson n n+ V alim V ref ES grille substrat p transistor ntransistor p

47 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS exemple : inverseur

48 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS exemple : inverseur

49 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND A=1 et B=1 A=0 ou B=0 B0101B0101 S1110S1110 A S V alim B S=1 S=0 A0011A0011 A S B

50 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND

51 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR A=1 ou B=1 A=0 et B=0 B0101B0101 S1000S1000 A0011A0011 A S B A V alim B S S=0 S=1

52 Systèmes Electroniques circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR

53 Systèmes Electroniques circuits intégrés

54 Systèmes Electroniques circuits intégrés P P-II P-III évolution du nombre de transistors des µP Intel loi de Moore : N tr est multiplié par 1,4 par an

55 Systèmes Electroniques circuits intégrés P P-II P-III évolution de la fréquence d'horloge des µP Intel MHz

56 Systèmes Electroniques circuits intégrés 4004P-II 1972: 2500 transistors2000: > transistors

57 Systèmes Electroniques circuits intégrés (nm) (mm 2 ) (en millions) (MHz) (W) (V)

58 Systèmes Electroniques circuits intégrés circuit porte fonction système composant hiérarchie

59 Systèmes Electroniques circuits intégrés salle blanche masque de lithographie wafer fours de diffusion

60 Systèmes Electroniques circuits intégrés "bonding" boitier DIL boitiers

61 Systèmes Electroniques microsystèmes


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