Elettronica dello Stato Solido Lezione 1: Introduzione. Daniele Ielmini DEIB Politecnico di Milano

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1 Elettronica dello Stato Solido Lezione 1: Introduzione Daniele Ielmini DEIB Politecnico di Milano

2 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 2 Outline Informazioni sul corso Introduzione all elettronica dello stato solido Breve storia della microelettronica Conclusioni

3 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 3 Obiettivi del corso Obiettivo: apprendere la fisica dei dispositivi sulla base della comprensione dello stato e delle proprietà di trasporto dei portatori (elettroni, lacune): 1. Meccanica quantistica (elettroni in atomi, elettroni nei solidi, teoria delle bande, densità degli stati) 2. Statistica dei portatori (distribuzioni di energia, densità di portatori in metalli, semiconduttori e isolanti, drogaggio) 3. Transporto di portatori (mobilità, drift, diffusione, effetti di alto campo)

4 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 4 Perchè ESS? 1. Una delle poche occasioni nel Corso di Ingegneria Elettronica per imparare la fisica moderna (quantistica, stato solido, semiconduttori) 2. Propedeutico a tematiche dispositivistiche nella magistrale (Electron Devices, Optoelectronics) 3. I dispositivi sono i mattoni fondamentali dei circuiti e dei sistemi conoscenze di base necessarie per ogni progettista completo 4. È il punto d accesso per uno degli argomenti di ricerca più affascinanti del panorama dell elettronica: nanotecnologie, nuovi dispositivi/materiali (grafene, memristori, spintronica, neuromorfici = sistemi in grado di imitare l elaborazione delle informazioni nel cervello)

5 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 5 Organizzazione del corso ore settimanali di lezione (totale 60 ore) 2 ore settimanali di esercitazioni (totale 40 ore)

6 Laboratorio numerico k z 100nm 5nm 100nm 5nm 100nm k y k x T=600K Scopo: vedere la fisica dei dispositivi (dipendenza dal tempo, 3D) e acquisire strumenti di apprendimento, approfondimento e gioco D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido L2 6

7 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 7 Riferimenti bibliografici Eisberg, Resnick Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles (Wiley) Cap. 1, 2 (no 2.7/8), 3, 4, 5, 6 + leggere 13 (fac.) R. Pierret Advanced Semiconductor Fundamentals Cap. 1, 3, 4, 5 (no 5.3/4), 6 + leggere 2 (fac.) Testo in italiano: F. Ciccacci, Introduzione alla Fisica dei Quanti Materiale online (lezioni, esercitazioni di laboratorio e temi d esame risolti) al sito

8 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 8 Ricevimento/esami Ricevimento: Venerdì 10-12AM, Via Golgi 40 Piano 2 (6120 o daniele.ielmini@polimi.it) Esame: esercizi su tutto il corso (lezioni + esercitazioni) Sito web Slides del corso Avvisi Temi d esame soluzioni Altro materiale didattico (animazioni, codici Matlab, tesi disponibili)

9 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 9 Outline Informazioni sul corso Introduzione all elettronica dello stato solido Breve storia della microelettronica Conclusioni

10 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Nanoelettronica Nanoelettronica applicazioni nell ICT (information and communication technology) pervasiva (internet, connettività, energia, industria, medicina, tempo libero) Sistemi ICT = software + hardware Hardware = sistemi (system-in-package SiP, system-on-chip SoC) circuiti dispositivi (attivi e passivi) I dispositivi sono realizzati allo stato solido: ad esempio, tutte le porte logiche in un microprocessore sono integrate nello stesso cristallo (chip) di silicio

11 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Sistemi, circuiti e dispositivi Computer, tablet, smartphone Central Processing Unit (CPU) Intel 22 nm Ivy Bridge MOS transistor 45 nm p-channel

12 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Alcuni sistemi elettronici... Inoltre sistemi automotive (airbag, advanced driver assistance systems ADAS), medicali (diagnostica/pet, cochlear implant), industria (PLC, robot, tracciabilità), etc.

13 Circuiti integrati elettronici (ICs) Primo IC nel 1958 Wafer con decine di ICs IC digitali (microprocessori, microcontrollori, memorie, FPGA) IC analogici (amplificatori, mixers, trasmettitori/ricevitori, filtri) Mixed signals, convertitori Intel 486 IC in package (memoria flash) D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 13

14 Dispositivi elettronici allo stato solido D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 14

15 Memory devices D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 15

16 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Cosa non è stato solido? Prima dei dispositivi a stato solido, la computazione era mediante valvole: ENIAC (1946, Electronic Numerical Integrator And Computer) fu il primo computer da 30-ton, 18,000 valvole L immagazzinamento (storage) di dati è ancora oggi in parte affidato a dischi/nastri magnetici e CD/DVD ottici

17 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 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: SiO 2 (dielettrico di gate), SiN (spacer), dielettrici alternativi con alta costante dielettrica (high-k, isolanti di gate oltre il nodo 45 nm) o bassa costante dielettrica (low-k, interlayer dielectric) SEMICONDUTTORI: Si, o semiconduttori alternativi (Ge, SiGe, composti III-V come GaAs, InGaAs)

18 Resistivity [mwcm] 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 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Resistività elettrica 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 V = RI R = l / A METALLI SEMICONDUTTORI ISOLANTI

19 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Spiegazione La variazione di 32 ordini di grandezza tra i vari materiali è spiegata dalle diverse densità di portatori, infatti =(qnm n ) -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 (controllabili) portatori Isolanti: praticamente nessun portatore La disponibilità di portatori dipende dalle proprietà di legame del solido, dalle impurezze e dalle condizioni (temperatura, campo elettrico)

20 Tavola periodica 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 20

21 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Applicazioni Metalli = interconnessioni, elettrodi in condensatori (metal gate), induttori Isolanti = separazione tra connessioni e dielettrici in capacità (isolante di gate in MOSFET) 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

22 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Drogaggio nei semiconduttori Il diodo e il transistore a giunzione bipolare (BJT) sono basati sul drogaggio alternato di semiconduttori

23 I D [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 23

24 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Outline Informazioni sul corso Introduzione all elettronica dello stato solido Breve storia della microelettronica Conclusioni

25 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido : il primo transistor Dicembre 1947: Shockley, Brattain e Bardeen sviluppano un transistor a contatto di punto usando Ge Il transistor mostra per la prima volta amplificazione analogica

26 1958: primo circuito integrato (IC) D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido : J. Kilby (Texas Instruments) inventa una tecnica per integrare tutti i dispositivi (transistor, R, C) in un solo cristallo di Ge Più tardi R. Noyce (Fairchild) migliora l idea integrando anche le interconnessioni, preparando la strada per la tecnologia di circuiti integrati ad alta densità (ultra-largescale integration, ULSI) 2000: Premio Nobel a Kilby per la sua invenzione

27 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido : legge di Moore Dopo appena 4 anni dal primo IC commerciale, Moore osserva che il numero di transistori integrati raddoppia ogni 18 mesi

28 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Scaling 1971: C1103 1kb DRAM (Intel) costava 20$ 2014: 4GB SDRAM costa 20$ (sarebbe costata 600 M$ nel 1971)

29 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido MPUs dal 1970 al 2008 N raddoppia ogni 18 mesi N raddoppia ogni 24 mesi

30 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Limiti della legge di Moore a = 0.54 nm

31 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Scaling = materiali e design III-V semiconductors Tunnel FET 2D semiconductors

32 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Strategie more-moore (1) New materials (2) New architectures

33 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Off-state power Scaling T. Sakurai, ISSCC 2003 A. Ionescu, 2011 Two approaches to reduce OFF-leakage power: Steep subthreshold (TFET, IMOS, NEMS) Normally-off logic through NVM (spintronic, memristor)

34 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Oltre la legge di Moore MEMS RF CMOS Image sensors III-V semiconductors Tunnel FET 2D semiconductors Spintronics Quantum computing Memristor

35 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Beyond CMOS: il memristor V A TiN I C = 9 ma HfO 2 Ti TiN Set Reset V A V A > 0 V A < 0 Set Reset

36 Beyond CMOS: il memristor D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 36

37 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Scaling del memristor d = 0.26 nm F = 10d = 2.6 nm V. V. Zhirnov, et al., Nanotech. 22 (2011) J. Park, et al., IEDM Tech. Dig. 63 (2011)

38 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Calcolo neuromorfico Neuromorphic architectures aim at replicating cognitive behaviors (learning, recognition, decision making) Density in the human cortex Cells = 10 7 cm -2 Synapses = cm -2 (10 4 average connectivity) In vivo Neuron Axons/dendrites Synapses In silico CMOS Interconnect RRAM/memristors

39 Spike-timing dependent plasticity (STDP) V CG V TE Fire gate Communication gate BE V FG G.-Q. Bi and M.-M. Poo, J. Neuroscience 18, 1998 Z.-Q. Wang, et al., Front. Neurosci. 8:438 (2015) D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 39

40 Mar. 5, 2015 D. Ielmini, "Nonvolatile memories" layer network for pattern learning Pattern First layer N neurons (retina) Synapses

41 Mar. 5, 2015 D. Ielmini, "Nonvolatile memories" 5 41 Schematic layout Pattern First layer N neurons (retina) PRE N Second layer M neurons POST 1 2 M

42 Mar. 5, 2015 D. Ielmini, "Nonvolatile memories" 5 42 Submit X, learn X X synapses Other synapses

43 Mar. 5, 2015 D. Ielmini, "Nonvolatile memories" 5 43 Learning, then forgetting Pattern X Pattern O X synapses O synapses Other synapses

44 Mar. 5, 2015 D. Ielmini, "Nonvolatile memories" PRE x 4 POST network Synapse to neuron A Synapse to neuron A Synapse to neuron A Synapse to neuron A

45 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Conclusioni I dispositivi elettronici richiedono la presenza di diversi materiali con diverse funzioni, i semiconduttori a giocare il ruolo di materiali attivi Per capire le proprietà uniche dei semiconduttori, i fondamenti della fisica quantistica e dello stato solido sono necessari La crescita esponenziale prevista da Moore non continuerà per sempre. Servono innovazioni di fisica/materiali/architetture ruolo abilitante dell elettronica dello stato solido