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APRIAMO UN PC …
motherboard
I calcolatori sono macchine complesse;
elaborano numeri, testi, suoni, immagini…
Il “cervello” del calcolatore è costituito
dalla CPU (unità centrale di
elaborazione) o processore, che include
al suo interno tutti i circuiti necessari
per compiere le istruzioni elementari.
transistor
chip
CPU
1 computer = 1 o + CPU
1 CPU = 1 chip
1 chip = 107 – 108 transistor
computer
Bussei Paolo
Fisica 24 ore – Parma 21 febbraio 2003
[email protected]
Capello
… la CPU o processore: sempre + veloci
Transistor:
~ 1mm2
Chip:
~150 mm2
Wafer:
 300 mm
Lo sforzo per raggiungere velocità di esecuzione
delle istruzioni sempre maggiori ha portato alla
realizzazione di processori sempre più
complessi, con un numero via via crescente di
moduli funzionali interni diversi.
mm
MHz
6.000
6
2
1979
29.000
3
5
80286
1982
134.000
1.5
6
80386
1985
275.000
1.5
16
80486
1989
1.200.000
1
25
Pentium
1993
3.100.000
0.8
60
Pentium II
1997
7.500.000
0.35
233
Pentium III
1999
9.500.000
0.25
450
Pentium 4
2000
42.000.000
0.18
1500
Pentium 4
2002
> 55.000.000
0.13
> 3000
Nome
Data
8080
1974
8088
Transistor
… ma tutto ciò come si collega con la fisica?
I componenti microelettronici sono un po’ ovunque,
fanno parte della nostra vita quotidiana:
•cellulari,
•telecomando della TV,
•puntatore laser,
•lettori MP3,
•orologi al quarzo,
•sensori ottici delle macchine
fotografiche digitali,
•videocamere , …
Il funzionamento di tutti questi
apparecchi è stato possibile grazie
alla comprensione delle leggi della
fisica dello stato solido, in
particolare dei …
… semiconduttori
SCOPERTA DEI SEMICONDUTTORI E PRIME APPLICAZIONI
1782 A. Volta
introduce la parola “semiconduttori”
1833 M. Faraday nota che la conducibilità (σ) di alcuni materiali aumenta con T
1874 F. Braun
1897 J.J.
Thomson
primi diodi a cristallo
scopre l’elettrone
1901 V. E. Riecke
scopre che la corrente elettrica nei metalli è dovuta al moto degli
elettroni
1903 J.
Koenigsberg
postula che la resistività (ρ) dei semiconduttori dipende da T
1931 A. Wilson
1931 W.
Heisenberg
1931 W. Pauli
scrive a R.
Peierls
1936 Bell
Telephone
Laboratories
1939 - 1945
propone una teoria a bande dei solidi e il concetto di impurezze
donori ed accettori.
concetto di lacuna come quasi-particella di carica positiva che
descrive gli stati vuoti in una banda altrimenti piena.
"uno non deve lavorare sui semiconduttori, sono un pasticcio, chi sa
se addirittura esistono i semiconduttori”
programma di ricerca per sostituire i commutatori elettromeccanici
con quelli a stato solido.
II guerra mondiale: gran parte delle ricerche si spostano su problemi
connessi con l’industria bellica…
LA SCOPERTA DEL TRANSISTOR …
1939
Shockley: dispositivo amplificatore basato su semiconduttore
1940
primo fotodiodo basato su di una giunzione p/n in silicio
1945
1947
1948
1949
Riparte il progetto sui semiconduttori dei laboratori Bell
Invenzione del Transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )
prima radio a transistor
Shockley propone il transistor bipolare a giunzione
Western Electric : primi transistor commerciali (amplificatori per
auricolari per sordi)
Texas Instrument produce la prima radio basata su transistor....è
un disastro commerciale perchè troppo costosa.
Bardeen, Brattain e Shockley ricevono il premio Nobel per la
scoperta del Transistor.
Ottobre 1951
1954
1956
Il primo transistor …
… ed uno di oggi
PROPRIETA’ FISICHE DELLA MATERIA
bande di energia
Nella formazione dei solidi, gli orbitali atomici si
fondono a formare orbitali cristallini, estesi a tutto lo
spazio occupato dal solido. Gli elettroni di valenza
nei solidi, dunque, non sono più legati ai singoli
atomi, ma sono delocalizzati.
Larghezza banda : qualche eV
A questi elettroni non corrispondono più singoli livelli
discreti di energia, ma moltissimi livelli con valori
vicinissimi l’uno all’altro, ossia distribuiti in modo
quasi continuo in un certo intervallo dell’energia. A
questa distribuzione si dà il nome di banda di
energia.
Le varie bande possono essere separate da intervalli
di energia proibiti, che non possono essere occupati
da alcun elettrone.
elettroni e lacune
La configurazione elettronica di un solido a temperature diverse dallo zero
assoluto è in generale diversa da quella corrispondente allo stato fondamentale.
Nei semiconduttori ad esempio, per effetto della temperatura può accadere che
la banda di valenza non sia completamente occupata.
A livello pittorico possiamo immaginare che in un livello non occupato della
banda di valenza sia presente una particella immaginaria, detta “buca” o
“lacuna”.
Una delle conseguenze inaspettate della teoria delle bande è che questa
“particella” si comporta come se avesse carica elettrica positiva: sotto l’azione di
un campo elettrico esterno accelera nello stesso verso del campo elettrico
applicato.
Proprietà dei semiconduttori.
Passando da un materiale ad un altro, s può variare di molti ordini di grandezza:
•
•
•
•
superconduttori:
metalli:
semiconduttori:
isolanti:
s infinita, per T < Tc (temperatura critica)
s  106  104 (W.cm) -1
s  103  10-6 (W.cm) -1 (a temperatura ambiente)
s  10-10  10-20 (W.cm) –1
L’enorme variazione di s dipende dalla configurazione elettronica dello stato fondamentale del
cristallo.
s nei semiconduttori dipende fortemente dalla temperatura e dal contenuto di impurezze.
Proprietà dei semiconduttori: impurezze (donori e accettori)
Donore è un’impurezza che cede facilmente (“dona”) uno dei suoi elettroni di valenza alla banda
di conduzione del semiconduttore. Un donore tipico è il fosforo (pentavalente).
Il livello di energia dell’elettrone del P è all'interno del gap, poco al di sotto della banda di
conduzione.
Il semiconduttore è detto "di tipo n ", perché i portatori sono gli elettroni, di carica negativa.
Un analogo discorso vale se invece dei donori
sono presenti impurezze accettori, come ad
esempio il boro che è trivalente. I tre elettroni di
valenza del boro sono legati in modo covalente a
tre atomi di silicio adiacenti, lasciando vacante il
legame con il quarto atomo. Questo equivale a
dire che una lacuna sta intorno al boro.
Allora i portatori maggioritari sono le lacune e il
semiconduttore è detto "di tipo p ", perché le
lacune si comportano come particelle di carica
positiva.
Giunzione p-n.
Un semic. omogeneo ad una data T si comporta come una normale resistenza, sia esso intrinseco o drogato.
Le applicazioni pratiche dei semic. in generale si basano su monocristalli nei quali è stata artificialmente
creata una variazione nel drogaggio più o meno brusca: una giunzione p - n
Al campo elettrico che si crea fra le due zone si devono le importanti caratteristiche elettriche della giunzione.
Crescita dal fuso
zona di svuotamento o “depletion layer”
diffusione
Epitassia da fasci molecolari
(MBE)
Alcuni metodi per
la formazione di
una giunzione
Polarizzazione della giunzione (I)
Quando alla giunzione è applicata una tensione esterna V, l’equilibrio viene alterato e attraverso
la giunzione si stabilisce un flusso di portatori di carica la cui intensità dipende fortemente dal
segno della tensione applicata. Dato il carattere asimmetrico della giunzione p-n sono infatti
possibili due configurazioni distinte:
diretta
Caratteristica I-V per una giunzione p-n
(notare la scala per I ) polarizzata in diretta
•la parte p viene posta a potenziale maggiore
•convenzionalmente V > 0
•la barriera è ora inferiore rispetto al caso di equilibrio e l’intensità della corrente cresce
rapidamente all’aumentare del campo applicato
Polarizzazione della giunzione (II)
•la tensione esterna aumenta il potenziale elettrico della parte n
•convenzionalmente V < 0
•il flusso dei portatori scende praticamente a zero ed è pressoché indipendente dal
valore del potenziale applicato
inversa
Caratteristica I-V per una giunzione pn (notare la scala per I ) polarizzata in
inversa
Applicazioni della giunzione
Una struttura costituita da una giunzione p - n con contatti ohmici agli estremi delle zone
neutre p ed n è detto diodo a giunzione p - n.
• transistor
• dispositivi optoelettronici
(emissione e rivelazione della
radiazione)
• celle solari
• dispositivi a microonde
Fotodiodi al Si per l’UV
e un diodo laser
struttura del LED
Struttura di una cella solare a
giunzione
struttura di un diodo laser a
giunzione
Il transistor bipolare a giunzione
Il transistor bipolare a giunzione è il primo dispositivo elettronico attivo
affidabile costruito sfruttando le proprietà fisiche dei cristalli semiconduttori
motivi del successo dei transistor (rispetto ai
triodi):
• funzionano utilizzando correnti e tensioni
bassissime
• sono ordini di grandezza più veloci
• economici
• affidabili
La proprietà più importante è la possibilità di
fabbricare transistor di dimensioni
microscopiche in forma integrata
giunzioni
Polarizzazione del transistor
In assenza di potenziale elettrico esterno, i portatori di carica si
ridistribuiscono all’interno del transistor in modo da creare una condizione di
equilibrio. Proprio come accade in un diodo semiconduttore.
La condizione di equilibrio, può essere alterata
applicando una differenza di potenziale ai capi
delle due giunzioni del transistor, ovvero tra
emettitore e base (VEB) e tra il collettore e
la base (VCB).
Transistor ad effetto campo
Giunzioni p-n e transistor a giunzione: dispositivi
BIPOLARI
Esistono anche transistor UNIPOLARI:
- JFET
- MOSFET
- CMOS
Transistor di questo tipo sono detti “ad effetto di
campo” o FET (Field Efffect Transistor).
I vari tipi di transistor ad effetto campo agiscono
come amplificatori controllati in tensione
Vantaggi:
- lavorano con un minimo consumo di energia
- possono essere ultra miniaturizzati
- consentono la memorizzazione di segnali (gate)
Queste caratteristiche hanno favorito lo sviluppo di
• calcolatori tascabili
• orologi digitali
• Very Large Scale Integration (VLSI)
microprocessori
L’effetto campo
La presenza di un campo elettrico esterno,
altera la struttura delle bande di energia e
modifica la conducibilità del semiconduttore.
Questo è l’ effetto campo che viene impiegato
per diminuire o aumentare la conducibilità di un
semiconduttore.
Si forma così in prossimità della superficie un
“canale” o zona di svuotamento, tanto più
ampia quanto maggiore è il potenziale VG del
gate.
Quando la tensione del gate supera un valore di
soglia VT, si forma in prossimità della superficie
un secondo strato caratterizzato da un’alta
concentrazione di portatori minoritari. Questo è
lo “strato di inversione”.
In pratica, sotto l’azione del campo esterno, le bande del semiconduttore si
piegano al punto tale da rendere energeticamente più favorevole (ad esempio
per un semiconduttore di tipo p) la banda di conduzione rispetto a quella di
valenza.
Fine della legge di Moore?
Le dimensioni dei transistor stanno
raggiungendo fondamentali limiti fisici e
tecnologici:
“1975 - Il numero di transistor (e
quindi la potenza di calcolo)
raddoppia ogni 18 – 24 mesi”
Limite
Situazione
Previsioni
Problemi
Spessore
dell’ossido di Si
sotto il gate
2-3 nm
 1.5 nm
~ 2004 - 2005
Se diventa + sottile gli e“tunnelano”
Larghezza del gate
130 nm
25 – 30 nm
~ 2010
Effetti di “canale corto”
Tensione al gate
1.2 – 1.5 volt  1 volt
~ 2004 - 2005
Per tensioni minori il
transistor non conduce
correttamente
Possibili soluzioni:
•Raffreddare i transistor a –40°C  2010
•Design + efficiente dei circuiti  2010
•Singolo computer su un unico chip  2010 – 2020
•Sistemi multiprocessore, parallelizzazione  2020
• … -- 2020
Oltre? Opinioni contrastanti…
LINKS UTILI …
http://informando.infm.it
Dal silicio al computer
Semtec
http://britneyspears.ac/lasers.htm
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
http://electronics.howstuffworks.com/index.htm
http://www.research.ibm.com/thinkresearch/