Elettronica dello Stato Solido
Lezione 1: Introduzione
Daniele Ielmini
DEI – Politecnico di Milano
[email protected]
Outline
• Informazioni sul corso
• Introduzione all’elettronica dello stato
solido
• Breve storia della microelettronica
• Conclusioni
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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Obiettivi del corso
• Obiettivo: apprendere i principi base dello stato
e del trasporto di portatori nei materiali solidi:
– Meccanica quantistica (elettroni in atomi,
elettroni in solidi, teoria delle bande, gap di
energia, bande di conduzione e valenza in
semiconduttori, densità di stati)
– Statistica dei portatori (distribuzioni di energia,
densità di portatori in metalli, semiconduttori e
isolanti, drogaggio)
– Transporto di portatori (mobilità, drift,
diffusione, effetti di alto campo)
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Riferimenti
• Libri:
– Eisberg, Resnick: Quantum Physics of Atoms,
Molecules, Solids, Nuclei and Particles (J.
Wiley)
– Neamen: Semiconductor Physics and
devices: Basic principles (McGraw Hill)
• Le slide si trovano al sito
http://corsi.dei.polimi.it/ess/
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Relazione con gli altri corsi
Elettronica analogica
Sistemi elettronici digitali
Fondamenti di elettronica
Optoelettronica
Dispositivi elettronici
Nanoelettronica (LS)
Elettronica dello Stato Solido
Fisica sperimentale I
Fisica sperimentale II
Fisica sperimentale III
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Organizzazione del corso
• organizzazione:
– 2+2+2 ore settimanali di lezione (totale 60 ore)
– 2 ore settimanali per esercitazioni (totale 32 ore)
– 3+3+3 ore di laboratorio (totale 9 ore)
• Calcolo numerico di autofunzioni/autovalori
dell’equazione di Schrodinger per profili di potenziale
monodimensionali
• Calcolo numerico di autofunzioni in potenziali periodici
• Applicazioni per il progetto di semplici dispositivi
elettronici
• Ricevimento: venerdì10-12AM (6120 o
[email protected])
• Esame: esercizi e domande scritte
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Outline
• Informazioni sul corso
• Introduzione all’elettronica dello stato
solido
• Breve storia della microelettronica
• Conclusioni
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La microelettronica
• La microelettronica trova la sua principale applicazione
nell’ICT (information and communication technology)
• Tecnologia dell’informazione principalmente digitale
(e.g. analisi di dati, ricerca di dati, internet)
• Tecnologia della comunicazione digitale (internet) e
analogica (telefoni cellulari, radio, TV)
• Sistemi ICT= software + hardware
• Hardware = dispositivi attivi e passivi
• I dispositivi sono realizzati allo stato solido: ad
esempio, tutte le porte logiche in un microprocessore
sono integrate nello stesso pezzo di silicio
monocristallino
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Sistemi, circuiti e dispositivi
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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Alcuni sistemi elettronici
... Inoltre sistemi medicali (diagnostica, PET, NMR, etc.),
automotive (airbag, controllo di motori, etc.), domotica
(lavatrice, forno, etc.), controlli industriali (PLC, etc.) ...
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Circuiti integrati elettronici (ICs)
IC in package
(memoria flash)
Primo IC nel 1958
Wafer con decine
di ICs
•IC digitali (microprocessori,
microcontrollori, memorie, FPGA)
•IC analogici (amplificatori, mixers,
trasmettitori/ricevitori, filtri)
•Convertitori
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Intel 486
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Dai circuiti ai dispositivi
Circuito di
memoria
NAND
integrata
SRAM
integrata
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Dispositivi elettronici allo stato solido
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Cosa non è stato solido?
• Prima dei dispositivi a stato
solido, la computazione era
affidata a valvole : e.g.
ENIAC (1946, Electronic
Numerical Integrator And
Computer) fu il primo
computer da 30-ton, 18,000
valvole
• L’immagazzinamento di dati è
ancora oggi affidato a
dischi/nastri magneticie e
CD/DVD ottici
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Materiali solidi in elettronica
METALLI: Cu
(interconnessioni),
W (plug) e
composti metallici
come TaN, TiN,
etc. per il gate
(soprattutto se
abbinati a high K)
ISOLANTI: SiO2
(dielettrico di gate),
SiN (spacer) o
dielettrici alternativi
con alta (high-K) o
bassa costante
dielettrica (low-K)
SEMICONDUTTORI:
Si, or
semiconduttori
alternativi (Ge,
SiGe, composti III-V
come GaAs, InGaAs)
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1E+32
1E+30
1E+28
1E+26
1E+24
1E+22
1E+20
1E+18
1E+16
1E+14
1E+12
1E+10
1E+08
1E+06
1E+04
1E+02
1E+00
ISOLANTI
V = RI
R = ρl / A
SEMICONDUTTORI
METALLI
Ag
Cu
Au
Al
W
Ni
Fe
Sn
Pb
As
Sb
Hg
Nichrome
C
Te
Ge
Si
B
Se
P
SiN
SiO2
S
paraffina
PET
teflon
Resistivity [µΩcm]
Resistività elettrica
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Spiegazione
• La variazione di 32 ordini di grandezza della
resistività tra i vari materiali può essere
spiegata con diverse densità di portatori,
infatti ρ=(qnµn)-1:
– portatore= una particella (o quasi particella)
dotata di carica (elettrone negativo o lacuna
positiva) che può muoversi sotto l’effetto di un
campo elettrico e generare una corrente
– Metalli: abbondanza di portatori disponibili
– Semiconduttori: pochi portatori disponibili
– Isolanti: praticamente nessun portatore
• La disponibilità di portatori dipende dalle
proprietà di legame del solido
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Tavola periodica
http://facstaff.gpc.edu/~pgore/PhysicalScience/Periodic-table.html
• Numero di elettroni nella shell esterna controlla il
carattere del materiale comportamento
conduttivo o isolante a seconda di come gli
elettroni sono condivisi nello stato solido
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Use in microelectronics
• Materiali usati nell’IC per interconnessioni (metalli), zone
attive (semiconduttori), isolanti, droganti (esclusi i materiali
usati nel processo, packaging, saldature,etc.)
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Applicazioni
• Metalli = interconnessioni o piatti di capacità
(bassa resistenza)
• Isolanti = separazione tra fili e dielettrici in
capacità
• Semiconduttori = materiali attivi
• L’interesse nei semiconduttori va aldilà della
resistività intermedia (semplice applicazione
come resistore), e precisamente nella sua
capacità di cambiare, ad esempio con:
– Il drogaggio
– L’inversione
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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Drogaggio in semiconduttori
Il diodo e il transistore a giunzione bipolare (BJT)
sono basati sul drogaggio alternato di semiconduttori
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ID [mA]
Inversione in semiconduttori
Una regione di silicio p può diventare di tipo n
mediante l’applicazione di un campo verticale effetto del transistore MOS
Applicazione = switch (digitale) o generatore di
corrente comandato
da tensione (analogico)
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Outline
• Informazioni sul corso
• Introduzione all’elettronica dello stato
solido
• Breve storia della microelettronica
• Conclusioni
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Breve storia della microelettronica
• Pietre miliari:
– 1897: Faraday scopre l’elettrone
– 1947: primo transistore a stato solido
– 1958: primo IC
– 1965: legge di Moore
– 1971: primo microprocessore (µP)
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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1897: esperimento di Thomson
• 1897: Thomson (Cambridge) scopre l’elettrone: (i)
rivela una carica negativa depositata da raggio
catodico e (ii) riesce a deflettere il raggio con un
campo elettrico (le onde invece sarebbero
inalterate da un campo statico)
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1947: prima realizzazione pratica
del transistore
• Dicembre 1947: Brattain (sperimentale) e Bardeen
(teorico) lavorano ad un transistore a contatto di
punta al germanio
• Due contatti d’oro (base e collettore)
a meno di 1mm uno dall’altro. A un
contatto, l’oro inietta lacune nel
Germanio di tipo n formazione di
una regione p. una piccola corrente
attraverso la base riesce a modulare
una ben maggiore corrente tra il
piatto di massa (emettitore) ed un
secondo contatto d’oro (collettore)
primo amplificatore pratico a
stato solido
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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Dal quaderno di Brattain – 1
“Ad una conferenza in
data Nov. 22 or 29 è
stato deciso di provare
tutte queste
combinazioni”
“Due contatti vicini – il
potenziale su un punto
modulerebbe la corrente
che fluisce sull’altro
punto”
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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Primo transistore a giunzione
• Shockley (responsabile del gruppo di stato solido
ai Bell Labs) non diede contributi all’originale
invenzione del transistore a contatto di punto
• Nel 1948, Shockley ce la mise tutta per sviluppare
un nuovo concetto di transistore a sandwich,
basato su un semiconduttore a tre strati con
drogaggio alternato funzionante sullo stesso
principio del triodo a vuoto
• La principale differenza
rispetto al transistore a
contatto di punto = effetto di
bulk invece di conduzione di
superficie
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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Dal quaderno di Shockley
La linea orizzontale
sul margine recita:
"April 1950. Un’unità
NPN è stata
dimostrata oggi da
Brown, Fisk, Wilson,
Morton."
Nel gennaio 1951,
Shockley fornì la sua
dimostrazione del
concetto
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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Limiti del transistore discreto
• I transistor sono più piccoli delle valvole, tuttavia
per talune applicazioni non sono ancora
abbastanza piccoli
• Limiti della componentistica discreta:devono
essere maneggiati per saldarli, collegarli, etc.
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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1958: primo circuito integrato (IC)
• Luglio 1958: J. Kilby (Texas Instruments) si
accorge che tutti i componenti (transistor,
resistenze, capacità, interconnessioni) possono
essere fatte in un solo cristallo di silicio
• Gennaio 1959: R. Noyce (Fairchild) ha la stessa
idea
• In data Aprile 25, 1961, l’ufficio brevetti concede
il primo brevetto per un circuito integrato a
Robert Noyce mentre la domanda di Kilby
ancora deve essere analizzata (la burocrazia!)
• 2000: Premio Nobel a
Kilby per la sua
invenzione (R. Noyce era
già morto nel 1990)
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Il microprocessore
• All’inizio gli IC erano circuiti custom per specifiche
funzioni, non in grado di lanciare programmi o
memorizzare dati
• T. Hoff (Intel) pensò che le unità di memoria, di
calcolo e di elaborazione dati di un calcolatore
avrebbero potuto essere realizzate in un singolo IC,
invece degl’iniziali 12 chip concepiti dal
committente (Busicon)
• Intel capì il potenziale rivoluzionario della nuova
idea e restituì i $60,000 anticipati da Busicon per
possedere completamente i diritti di invenzione
• 1971: invenzione del primo microprocessore
general-purpose denominato 4004
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1971: Intel 4004
4 bit, 2300 transistori, 108 kHz, potente come l’ENIAC
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La legge di scaling di Moore
• 1965: dopo appena 4 ani dal primo IC
commerciale, Moore osserva che il
numero di transistori integrati raddoppia
ogni 18 mesi
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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µPs dal 1970 al 2008
N raddoppia ogni
18 mesi
N raddoppia ogni
24 mesi
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Limiti della legge di Moore
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01
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Cosa c’è oltre?
• La legge di Moore alla fine troverà un muro (e.g.
dissipazione termica, correnti di leakage, rumore
termico, limiti quantistici)
• Per sostenere lo scaling degli IC serve un paradigm
shift:
– Dispositivi molevolari
– IC in 3D
– More than Moore: integrazione di sistema
piuttosto che di densità di transistori, e.g.
biosensori + elaborazione di dati per elettronica
megafunzionale
– Nuovi approcci architetturali (sinaptronica,
computazione
cognitiva)
D. Ielmini –
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Discontinuità
• Quale che sia la prossima prossima
rivoluzione (nanotecnologia? Memristor?
Spintronica? DNA?), molto probabilmente
la nuova tecnologia sarà piccola, veolce e
allo stato solido
• L’elettronica dello stato solido non
smetterà di giocare un ruolo chiave
nell’ingegneria elettronica
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Conclusioni
• I dispositivi elettronici richiedono la partecipazione di
svariati materiali con diverse funzioni, i semiconduttori
a giocare il ruolo di materiali attivi
• Per capire le proprietà uniche dei semiconduttori,
alcuni fondamenti di fisica quantistica e dello stato
solido sono necessari
• La nascita dell’elettronica dello stato solido e dello
scaling dei dispositivi secondo la legge di Moore
provoca una rivoluzione sociale : la società basata
sull’informazione
• La crescita esponenziale prevista da Moore non
continuerà per sempre. Servono innovazioni di
fisica/materiali/architetture sono necessarie
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Link utili
• http://www.pbs.org/transistor/
• http://www.intel.com/technology/mooreslaw/
• http://www.ti.com/corp/docs/kilbyctr/jackstclair.shtml
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