Elettronica dello Stato Solido Lezione 1 - home page corsi
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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 2 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) D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 3 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/ D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 4 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 5 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 6 Outline • Informazioni sul corso • Introduzione all’elettronica dello stato solido • Breve storia della microelettronica • Conclusioni D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 7 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 8 Sistemi, circuiti e dispositivi D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 9 Alcuni sistemi elettronici ... Inoltre sistemi medicali (diagnostica, PET, NMR, etc.), automotive (airbag, controllo di motori, etc.), domotica (lavatrice, forno, etc.), controlli industriali (PLC, etc.) ... D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 10 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 Intel 486 11 Dai circuiti ai dispositivi Circuito di memoria NAND integrata SRAM integrata D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 12 Dispositivi elettronici allo stato solido D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 13 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 14 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) D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 15 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 16 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 17 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 18 Use in microelectronics • Materiali usati nell’IC per interconnessioni (metalli), zone attive (semiconduttori), isolanti, droganti (esclusi i materiali usati nel processo, packaging, saldature,etc.) D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 19 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 20 Drogaggio in semiconduttori Il diodo e il transistore a giunzione bipolare (BJT) sono basati sul drogaggio alternato di semiconduttori D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 21 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) D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 22 Outline • Informazioni sul corso • Introduzione all’elettronica dello stato solido • Breve storia della microelettronica • Conclusioni D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 23 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 24 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) D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 25 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 26 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 27 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 28 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 29 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 30 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) D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 31 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 32 1971: Intel 4004 4 bit, 2300 transistori, 108 kHz, potente come l’ENIAC D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 33 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 34 µPs dal 1970 al 2008 N raddoppia ogni 18 mesi N raddoppia ogni 24 mesi D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 35 Limiti della legge di Moore D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 36 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 – Elettronica dello Stato Solido 01 37 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 38 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 D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 39 Link utili • http://www.pbs.org/transistor/ • http://www.intel.com/technology/mooreslaw/ • http://www.ti.com/corp/docs/kilbyctr/jackstclair.shtml D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 40
