Introducción

Siliwiz es un programa que corre on-line para aprender los fundamentos del diseño de chips, desarrollado por Matt Venn para su curso Zero to asic

En este tutorial vamos a ver cómo diseñar el layout de un transistor MOSFET-N, y cómo simularlo. En la parte final exportaremos el MOSFET-N a formato 3D y lo reconstruiremos con la herramienta FreeCAD, para poder usarlo en nuestras documentaciones

Siliwiz NO es para fabricación, sino sólo para uso educativo. La tecnología que usa es una simplificación de la sky130

Esto es lo que aparece cuando entramos en la herramienta

¿Por qué utilizar este programa?. Estas son las ventajas que tiene

Ventajas

Es Software Libre. Pertenece al Patrimonio tecnológico de la humanidad. Código fuente: Siliwiz en Github
Es on-line, y se ejecuta desde el navegador. Es multiplataforma y no necesita instalación
Muy fácil de utilizar
Interfaz moderna
Muy buena para aprender los fundamentos
Simulación básica de los diseños

¿Para qué NO nos vale? ¿Qué limitaciones tiene?

Desventajas:

Usa una tecnología ficticia (es una simplificación de sky130)
No es posible generar los ficheros GDS para fabricación

Configuración inicial

Cuando se arranca Siliwiz, aparece por defecto el Layout de un inversor, construido a partir de un MOSFET-N y un MOSFET-P. Nosotros vamos a diseñar un MOSFET-N desde 0, y luego lo simularemos

Lo primero que hacemos es partir de un diseño en blanco. Para ello pinchamos en la parte superior y seleccionamos blank.json

Aparece un panel en blanco, que es donde vamos a crear nuestro diseño. ¡Estamos listos para empezar!

Colocando el sustrato

El chips está situado sobre una capa de Silicio tipo P, que llamamos sustrato. Para colocarlo pinchamos en la parte izquierda donde pone p sustrate

Pinchamos con el botón izquierdo del ratón en la esquina superior izquierda de la zona donde posicionar el sustrato y arrastramos hasta la esquina inferior derecha, donde soltamos el botón

Todo lo que se dibuja en el layout son rectángulos, por lo que el proceso siempre es el mismo. Lo que vemos es la vista superior del diseño (la planta). Sabemos que es el sustrato porque tiene un relleno de rayas oblicuas amarillas y blancas

Para ver la altura del sustrato vamos a visualizar la sección transversal. Pinchamos en el botón que pone CROSS SECTION & DRC

En la parte de la derecha se encuentra la sección transversal donde podemos ver la altura del sustrato. La parte superior del plano de corte se muestra en la izquierda, y se puede mover hacia arriba y abajo con la barra deslizadora que separa ambos paneles

Silicio tipo N

Lo siguiente es crear la zona de silicio tipo N que luego se convertirá en la fuente y el drenador del MOSFET N. Pinchamos en la capa n diffusion

Seleccionamos la esquina superior izquierda de la zona N con el botón izquierdo del ratón y arrastramos hacia la esquina inferior derecha. Aparece la zona N de color azul

Movemos la barra de deslizamiento hacia abajo para atravesar la zona N. En la sección vemos cómo aparece la zona N incrustrada en el sustrato

Colocando el polisilicio

Para crear la puerta utilizamos el polisilicio. Seleccionamos la capa polysilicon y la colocamos encima de la zona N, atravesándola verticalmente

En la sección vemos cómo ahora la herramienta separa la Zona N en dos, una para la fuente y otra para el drenador. Debajo del polisilicio no aparece nada en la sección, pero ahí está situado el óxido de silicio

También observamos que NO HAY ERRORES DRC. Es decir, que no se están violando las reglas de diseño (Tamaños, distancias mínimas, etc…)

¡El transistor ya está listo! Ahora tenemos que sacar sus terminales (Fuente, drenador y puerta) hacia los contactos metálicos para llevarlos al exterior

Colocando las vías

Para realizar la conexión con el exterior primero hay que colocar las vías, que nos une la zona actual con la capa superior donde estará el metal

Para colocar las vías pinchamos en la capa metal1 via y las colocamos en contacto con las dos zonas N (Fuente y drenador) y el polisilicio (Puerta)

Si movemos la sección hacia la puerta, podemos ver la tercera vía ahí, y que está en contacto con el polisilicio

Colocando los contactos metálicos

Encima de las vías colocamos los contactos metálicos. Seleccionamos la capa metal1 y colocamos rectángulos sobre las vías

No hay errores de DRC. Comprobamos que el contacto metálico de la puerta también está en contacto con su vía

Colocando las etiquetas

Lo siguiente es identificar los contactos asignándoles un nombre a través de una etiqueta. Vamos a colocar las etiquetas para establecer las conexiones con las alimentaciones. Así, asignaremos la fuente a vss (0v), el drenador a vdd (1.8v) y la puerta a in. La etiqueta in es la que utilizaremos para introducir la tensión de entrada para simular el MOSFET N

Primero vamos a conectar la fuente. Pinchamos con el botón izquierdo del ratón sobre el contacto metálico de la fuente. Aparece un menú. Pinchamos en Set Label

Aparece un diálogo donde escribimos vss y pinchamos en OK

Vemos que aparece el texto vss en la fuente

Repetimos el mismo proceso para el drenador y la puerta. Así es como queda

Conexión del sustrato a vss

Para terminar el transistor, hay que conectar el sustrato p a la tensión vss, es decir, a gnd. Para realizar esta conexión primero hay que colocar una zona p tap. Pinchamos en la capa p tap y la colocamos

Ahora colocamos la vía

A continuación el contacto metálico

Y por último ponemos la etiqueta para conectarlo a vss

¡¡Ya tenemos el MOSFET finalizado!!

Simulando el mosfet

Vamos a simular el MOSFET. Pinchamos en el botón que pone SIMULATION

De momento no aparece ninguna gráfica. Lo que queremos medir es la corriente que atraviesa el drenador, que en notación de spice se escribe como i(vdd). Primero eliminamos la etiqueta out

Al hacerlo se refresca la gráfica y se pinta la señal de entrada in, que es la que se introduce por la puerta. Se trata de una rampa de tensión que va desde 0 hasta 5v

Queremos que se dibuje la corriente que atraviesa el drenador. Pinchamos en el botón + para añadirla

Aparece un panel de entrada donde escribirmos $i (v dd) * - 1000$ y pulsamos OK. Lo que queremos que se dibuje es la corriente que circula por el drenador, que se denota como $i (v dd)$ . Esa corriente la multiplicamos por -1000 para que tenga signo positivo por un lado (sólo se pueden dibujar corrientes positivas en la herramienta de simulación) y para escalarla y que se vea junto con la tensión de entrada

En la gráfica aparece la corriente, en color naranja

Comprobamos que cuando la tensión de la puerta es 0, NO hay corriente. Y cuando la tensión es de 5v, se tiene la corriente máxima. Es decir, que funciona correctamente como un interruptor: conduce o no conduce según que la entrada sea 1 ó 0

¡¡El mosfet funciona!!

Guardando el diseño

El diseño creado, que hemos visto que funciona, lo vamos a guardar en un fichero local. Para ello pinchamos en el botón de SAVE

Automáticamente se empieza a descargar el fichero siliwiz-design.json

Este es el contenido del fichero creado

mosfet-n.json

{
  "version": 1,
  "app": "siliwiz",
  "timestamp": 1787478891,
  "rects": [
    { "x": 28.35, "y": 6, "height": 342, "width": 352, "layer": "p substrate" },
    { "x": 119.35, "y": 151, "height": 104, "width": 197, "layer": "n diffusion" },
    { "x": 266.35, "y": 279, "height": 61, "width": 98, "layer": "p tap" },
    { "x": 197.35, "y": 116, "height": 158, "width": 37, "layer": "polysilicon" },
    { "x": 191.35, "y": 102, "height": 34, "width": 48, "layer": "metal1 via" },
    { "x": 132.35, "y": 181, "height": 48, "width": 33, "layer": "metal1 via" },
    { "x": 262.35, "y": 179, "height": 52, "width": 34, "layer": "metal1 via" },
    { "x": 294.35, "y": 293, "height": 39, "width": 53, "layer": "metal1 via" },
    { "x": 176.35, "y": 76, "height": 51, "width": 77, "layer": "metal1", "label": "in" },
    { "x": 110.35, "y": 185, "height": 50, "width": 48, "layer": "metal1", "label": "vss" },
    { "x": 267.35, "y": 183, "height": 53, "width": 58, "layer": "metal1", "label": "vdd" },
    { "x": 307.35, "y": 287, "height": 49, "width": 46, "layer": "metal1", "label": "vss" }
  ],
  "graph": {
    "dcSweep": false,
    "minInVoltage": 0,
    "maxInVoltage": 5,
    "pulseDelay": 0,
    "riseTime": 50,
    "signalNames": "in i(vdd)*-1000",
    "tranTime": 60000000
  }
}

Cargando un diseño

Por supuesto también podemos cargar un fichero grabado previamente. Partimos del estado inicial de Siliwiz, abriéndolo en una nueva pestaña. Aparece el diseño del inversor

Pinchamos en el botón LOAD

Nos aparece la ventana del navegador para seleccionar el fichero a subir. Elegimos el que habíamos guardado anteriormente, que lo hemos renombrado a mosfet-n.json

Se carga el nuevo diseño y se muestra su simulación

Modificando el diseño

Lo interesante de la simulación es que nos permite profundizar en qué parámetros del transistor afectan a su funcionamiento. En el diseño actual vemos que la corriente que circula por el drenador es de 3mA (En la gráfica vemos 3, pero recordemos que es el resultado de multiplicar el valor real por 1000)

Vamos a modificar la longitud del canal N del mosfet, esto es, cambiando la anchura del polisilio. El objetivo es ver cómo afecta esta anchura a la corriente que pasa por el drenador

Lo podemos hacer de dos maneras:

Borrando el polisilicio, y dibujando uno nuevo. Para borrar pinchamos en el polisilicio con el botón izquierdo del ratón y luego seleccionamos Delete. Tras ello volvemos a dibujar el polisilicio como ya sabemos
Cambiando la anchura del polisilicio. Es la opción que vamos a utilizar. Pinchamos con el botón izquierdo en el polisilicio

Vemos el valor de la anchura actual, que en este ejemplo era de 3.3

Vamos a poner un ancho menor, como por ejemplo 2.5

Pulsamos OK. Cambia la longitud del canal (que es la anchura del polisilicio) y vemos en la simulación cómo la corriente ha aumentado hasta 4mA

Visualizando el modelo en 3D

Desde Siliwiz exportamos el modelo 3D en formato STL, que luego podemos editar con herramientas como Blender o FreeCad, así como imprimir en 3D

Exportando a STL

Para exportar el diseño actual al formato STL pinchamos en el botón STL

Se descarga el fichero siliwiz.stl

Lo renombramos a mosfet-n.stl. Ya lo tenemos listo para importar en cualquiera de los programas de diseño 3D

Usando Freecad

Desde FreeCAD podemos visualizar el modelo 3D. Sin embargo, el formato STL NO incluye colores, por lo que lo veremos todo en tonos grises. Aprovecharemos este apartado no sólo para importar el STL y verlo en gris, sino para convertir todos sus componentes a objetos sólidos de FreeCAD, para tenerlos por separados y poder moverlos, editarlos y cambiar sus colores

Importando el STL

Para Importar el fichero STL desde Freecad pinchamos en File/Open

Seleccionamos el archivo mosfet-n.stl y pulsamos Open

El fichero STL se abre, y esto es lo que vemos

Como lo que se muestra es la vista superior, y el formato STL no permite definir colores, sólo vemos la parte superior del sustrato y no se aprecian el resto de capas. Para verlas mejor hay que rotar el diseño, y así lo vemos en un tono de grises

Vamos a cambiar el modo de ver el STL, para apreciar todas las mallas, ya que STL es un formato de Mallas (no define sólidos, sino superficies constituidas a partir de triángulos). Seleccionamos el objeto mosfet-n en la izquierda, luego nos vamos a la ventana de propiedades (Property view) y seleccionamos la pestaña de View. Dentro de ella cambiamos la propiedad Display Mode a Flat Lines

Esto es lo que vemos cuando el objeto deja de estar seleccionado

Ahora además de las cajas que forman las diferentes zonas del diseño vemos los triángulos que las forman. Es la típica vista de mallas

Guardando en formato FreeCad

Antes de pasar a editar el STL, guardamos el diseño en formato nativo de FreeCAD, con el nombre mosfet.FCStd. Pinchamos en File/Save as

Escribimos el nuevo nombre y le damos a Save

Ahora nos aparece el nombre del diseño dentro de FreeCad

¡Ya está todo listo para empezar a editarlo! (si es que queremos…)

Separando los componentes

Lo que vemos es un único objeto, pero nosotros sabemos que en realidad está formado por componentes independientes, que son las diferentes cajas. Queremos obtener esas cajas como objetos aislados, para tratarlos individualmente. Esto lo hacemos desde el banco de trabajo mesh

Nos vamos al banco de trabajo mesh. Esto depende de cómo tengas configura Freecad. Yo en mi caso lo tengo accesible en un botón inferior, pero también se puede acceder en el menú View/Workbench/Mesh. Luego seleccionamos el objeto mosfet-n y pinchamos en el icono correspondiente a la opción Split by components, que también está accesible desde el menú Meshes/Split by components

Además del objeto original mosfet-n, que sigue estando, han aparecido 12 componentes nuevos

El objeto mosfet-n lo podemos borrar, porque ya no lo necesitamos. Lo seleccionamos y presionamos supr

Se nos selecciona automáticamente el componente que está debajo del que hemos borrado, cuyo nombre es Component. Como está seleccionado lo vemos en diferente color que el resto. ¡Se trata del sustrato!

Como experimento vamos a Ocultar el sustrato, pinchando en el ojo que tiene a su izquierda. El sustrato desaparece, pero el resto de componentes siguen ahí. Ahora son objetos independientes

Convirtiendo el sustrato p a objeto sólido

Cada uno de los nuevos componentes los vamos a convertir a un objeto sólido, para poder tratarlos como cualquier otro objeto de Freecad, y por así sacar planos, realizar uniones, intersecciones, ediciones de propiedades…

El proceso lo vamos a hacer para TODOS LOS COMPONENTES, sin embargo sólo lo mostraremos para el sustrato p, y luego habrá que repetir los mismos pasos para los otros componentes

Lo primero es cambiar el nombre para hacerlo más reconocible. Lo cambiamos de Component a sustrato-tmp. El sufijo -tmp lo usamos para indicar que es un componente temporal, que luego borraremos cuando tengamos el final. El nombre se cambia fácilmente pulsando en el nombre del componente con el botón derecho y usando la opción rename. El resto de componentes los ocultamos para no generar ruido

El sustrato p es una malla. Vamos a cambiar sus propiedades, como ya sabemos, para ver todos los triángulos

El primer paso es convertirlo a una forma, que es un objeto de freecad no sólido. Vamos al banco de trabajo Part y pinchamos en la opción Part/Shape from mesh

Nos aparece un cuadro de diálogo. Lo ignoramos, pinchando en OK

Aparece un nuevo componente, llamado Component012, que es el sustrato p convertido ya a una forma. El objeto original NO desaparece por lo que lo ocultamos

Vamos a convertirlo a un objeto solido de Freecad. Con este objeto seleccionado pinchamos en Part/Convert to Solid

Nos aparece un nuevo objeto, llamado Component012 (solid), que ya sí que es un objeto de freecad sólido. Es decir, que es macizo en su interior. Aprovechamos para ocultar el anterior Component012

Se trata de un objeto sólido, pero todavía se ven los triángulos que formaban la malla original. Para eliminarlos tenemos que refinar el objeto. Lo seleccionamos y pinchamos en Part/Copy/Refhine Shape

Ahora ya nos aparece un nuevo objeto que no tiene los triángulos: se han refinado, y sólo tiene las caras de la caja

Este nuevo objeto creado no es independiente, sino que está asociado al objeto anterior Component012(Solid). Para dejarlo como un objeto independiente, creamos una copia simple. Lo seleccionamos y pulsamos en Part/Copy/Simple copy

Nos aparece ya nuestro objeto final, independiente de las operaciones anteriores

Ahora hacemos limpieza y borramos todos los objetos generados a partir del sustrato original, salvo este último

Por último cambiamos el color. Seleccionamos el objeto y ponemos color amarillo

Este es el resultado final. Mostramos todos los objetos

Convirtiendo el resto de componentes a objetos sólidos

Hacemos los mismo con el resto de componentes. Resumimos aquí los pasos:

Convertir la malla a forma. Comando: Part/Shape from mesh
Convertirlo a objeto sólido: Comando: Part/Convert to Solid
Refinar el objeto: Comando: Part/Copy/Refhine Shape
Crear una copia simple: Part/Copy/Simple copy
Renombrar el objeto final
Borrar todos los objetos intermedios anteriores generados
Cambiar el color

Así es como queda el modelo 3D

Añadiendo texto

Vamos a añadir el texto a los contactos para indicar cuál es cada uno. Pasamos al banco de trabajo draft. Como primer ejemplo colocaremos el texto de la fuente: SOURCE. Pinchamos sobre la cara superior del contacto metálico de la fuente para seleccionarla y luego pinchamos sobre el plano de trabajo para que se nos sitúe encima de ese contacto

El plano de trabajo se sitúa encima del contacto de la fuente. Se convierte en un plano de trabajo custom

Pinchamos ahora en el icono Shape from text

Se abre un nuevo diálogo en la derecha. Escribimos el texto, SOURCE, luego ponemos el tamaño, por ejemplo 6, situamos el ratón en la zona de la rejilla donde queremos poner el texto y apretamos el botón izquierdo del ratón. Por último pinchamos en OK

Nos aparece el texto SOURCE sobre el contacto de la fuente

El texto se pone en el mismo plano que la superficie del contacto. Para que se vea mejor vamos a subirlo 1 unidad. Seleccionamos el texto y con el botón derecho damos a la opción de Transform. Lo desplazamos 1 en el sentido de W. Pinchamos en OK

Así es como se ve el texto

Cambiamos sus propiedades para que tenga un color Negro, y que resalte más, y renombramos el objeto a label-source. Esto ya lo sabemos hacer

Repetimos el proceso con el resto de etiquetas

Conclusiones

Hemos diseñado nuestro primer mosfet N desde 0 utilizando Siliwiz. Lo hemos simulado y por último lo hemos exportado a 3D. Para hacer mejores documentaciones, hemos aprovechado para tener el modelo 3D de manera nativa en FreeCAD

Autor

Juan González-Gómez (Obijuan)

Licencia

Créditos

Siliwiz es una herramienta creada por Matt Venn
Para la documentación del tutorial he utilizado información del curso Zero to asic y del proyecto TinyTapeout: ¡Fabrica tus propios chips!

Tutorial de Siliwiz