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Seminario di R. Feynman (1)
• There's Plenty of Room at the Bottom /An
Invitation to Enter a New Field of Physics/ /by
Richard P. Feynman (29-Dic-1959)
• “In the year 2000, when they look back at this age,
they will wonder why it was not until the year
1960 that anybody began seriously to move in this
direction.
• Why cannot we write the entire 24 volumes of the
Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?”
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Seminario di R. Feynman (2)
• So, ultimately, when our computers get faster and
faster and more and more elaborate, we will have
to make them smaller and smaller. But there is
plenty of room to make them smaller. There is
nothing that I can see in the physical laws that
says the computer elements cannot be made
enormously smaller than they are now. In fact,
there may be certain advantages.
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Seminario di R. Feynman (3)
• But if your machine is only 100 atoms
high, you only have to get it correct to onehalf of one percent to make sure the other
machine is exactly the same size---namely,
100 atoms high! At the atomic level, we
have new kinds of forces and new kinds
of possibilities, new kinds of effects.
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Costruzione dispositivi integrati
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Miniaturizzazione
di un MOSFET
Miniaturizzazione
di un MOSFET
Si passa da 6000 m2
A 50 m2.
Oggi: 0,5 m2
(0,1x0,1 m)
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Esempio di costruzione di un MOSFET
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Scala di integrazione
I circuiti integrati si classificano in base al numero di
componenti:
•Circuiti integrati su piccola scala (SSI): 1-100 componenti
•Circuiti integrati su media scala (MSI): 100-1000 componenti
•Circuiti integrati su larga scala (LSI): 1000-100000 componenti
•Circuiti integrati su larghissima scala (VLSI): > 100000 componenti
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Miniaturizzazione (1)
•Problema: come ridurre le dimensioni del
dispositivo MOS mantenendone inalterate le
caratteristiche di funzionamento.
Parametro fondamentale:
L = lunghezza di canale
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Miniaturizzazione (2)
Se WS = larghezza della giunzione sorgente-substrato
E WD = larghezza della giunzione collettore-substrato
Quando WS+WD L 
le due regioni comunicano direttamente (punch-through)
Il gate non svolge più l’azione di controllo
 non vale più il modello detto a canale lungo.
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Miniaturizzazione (3)
WS2 = h(Vbi + VBS) ; WD2 = h(VD + Vbi + VBS )
Con: h = 2S/(qNA) = costante che dipende dal materiale
A seconda delle condizioni di funzionamento il limite di
canale corto può variare.
Soluzione:
si riscalano di un fattore k > 1 tutte le dimensioni geometriche
ed anche le tensioni, in modo che i campi elettrici rimangano
costanti (campo elettrico = tensione/distanza)
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Miniaturizzazione (4)
Cosa accade alle grandezze caratteristiche?
V1 = V0/k ;
C01 = C0k ;
potenza1 = (potenza)0/k2 ;
(Energia di commuta.)1= (Energia di commutazione)0/k3 ;
(Densità di corrente)1 = (Densità di corrente )0k
Limite perché la massima densità di corrente è di circa
105 A/cm2 per un conduttore di alluminio.
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Miniaturizzazione (5)
0,35 m CPU 1998
0,08 m
= 80 nm
limiti
industriali
attuali
0,13 m CPU oggi
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Limiti fondamentali (1)
Limite quantistico sull’energia:
Una operazione svolta in un tempo 
implica una energia necessaria E tale che:
E  > h/2
con h = 6.63x10-34 J s
Per = 10-11 s = 10 ps (frequenza di 100 GHz)
 Emin =10-23 J Per un MOSFET attuale: E = 10-14 J
Siamo ancora abbastanza lontani
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Limiti fondamentali (2)
Tempo minimo di transito in una cella:
Se la cella ha le dimensioni x  applicando una
tensione V si ha un campo elettrico: E = V/ x
Se la velocita di saturazione è vs, il tempo
necessario sarà: = x/vs ;
Se la tensione minima corrisponde alla energia
termica divisa la carica elementare: V=kT/q
per il silicio usando:
Emax = 5•105 V/cm e vs = 107 cm/s si ottiene:
 min = 5x10-15 s
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Limiti fondamentali (3)
 min =
5x10-15
s
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Oggi
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Limiti fondamentali (4)
Spessore dell’ossido di gate (5 nm)
al di sotto si rischia il passaggio degli elettroni
attraverso l’ossido (effetto tunnel quantistico)
Limite termico per la commutazione casuale: kT
La tensione di funzionamento >> kT/q
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Limiti fondamentali (5)
Limite di densità di corrente sulle linee di
connessione:
La corrente di uscita di una porta MOSFET
è circa 1 A che ripartita su una linea da 1 m2
Da una densità di corrente: J=I/A = 105 A/cm2
Molto vicino al valore limite !!!!
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Limiti fondamentali (6)
Limite di potenza per caricare e scaricare i nodi
di un circuito:
La potenza può esprimersi come: P = 0.5 CV2nf
dove n = numero dei dispositivi per piastrina
f = frequenza con cui si ripete l’operazione
C = capacità di un singolo dispositivo
La potenza si trasforma in energia termica che deve
essere dissipata  aumenta la temperatura
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Limiti fondamentali (7)
L’aumento di temperatura deve essere limitato,
altrimenti gli elettroni acquisirebbero abbastanza
energia da scavalcare la banda proibita
(per il silicio con banda di 1.1 eV  T = 100 °C)
Data una dissipazione tipica di 1 Watt per un
contenitore di piastrina attuale, o si limita il numero
porte presenti sulla piastrina, o si limita la frequenza
a cui operano.
Es. con NMOS da 1 m, e C = 5.10-3 PF, e f = 2GHz
 Massimo di 105 dispositivi su una piastrina.
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Limiti fondamentali (8)
Oggi Lab
Oggi Processo
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Quale futuro?
Sembra chiaro che al di sotto di 10 nm (100
diametri atomici) non si dovrebbe andare con
l’attuale substrato di semiconduttori.
Sia per fattori statistici (meccanica
quantistica) che di percentuali di drogaggio
Perché diminuisce il numero di atomi droganti
presenti in quella lunghezza.
 serve una rivoluzione tecnologica
(nanotecnologie?)
(Nel 2004 costruito un transistor di 5 nm di
lunghezza di gate) (IBM e NEC)
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Futuri FET: nanotubi?
Spessore di un nanotubo:
decine di nm (milionesimi
di millimetro)
(Le Scienze)
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Future memorie?
We report on a simple electromechanical memory device in which
an iron nanoparticle shuttle is controllably positioned within a
hollow nanotube channel. The shuttle can be moved reversibly via
an electrical write signal and can be positioned with nanoscale
precision. The position of the shuttle can be read out directly via a
blind resistance read measurement, allowing application as a
nonvolatile memory element with potentially hundreds of memory
states per device. The shuttle memory has application for archival
storage, with information density as high as 1012 bits/in2, and
thermodynamic stability in excess of one billion years.
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