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

Transcript

1 Elettronica dello Stato Solido Lezione 1: Introduzione Daniele Ielmini DEI 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 i principi base sullo stato e sul trasporto di portatori (elettroni, lacune) nei 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)

4 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 4 Riferimenti bibliografici Libri: Eisberg, Resnick Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles (J. Wiley) Capitoli 1, 2 (no 2.7/8), 3, 4, 5, 6 + leggere 13 (fac.) R. Pierret Advanced Semiconductor Fundamentals Capitoli 1, 3, 4, 5 (no 5.3/4), 6 + leggere 2 (fac.) Le slide (lezioni ed esercitazioni di laboratorio) e i temi d esame degli anni passati si trovano al sito

5 Laurea Magistrale D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 5

6 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 6 Indirizzi/PSPA Progettazione sistemi elettronici (I/E): Elettronica digitale integrata, Sensori Elettronica fisica: Nanoelettronica, Elettronica digitale integrata, Sensori, Rivelatori, Biochip, Tecnologie e processi Elettronica per la medicina e le nanobiotecnologie: Elettronica digitale integrata, Sensori, Rivelatori, Biochip, Tecnologie e processi

7 Organizzazione del corso Organizzazione: ore settimanali di lezione (totale 60 ore) 2 ore settimanali di esercitazioni (totale 32 ore) 3 ore laboratorio (3 sessioni nel semestre) #1: soluzione numerica stazionaria dell equazione di Schrödinger per potenziali monodimensionali #2: soluzione numerica tempo-dipendente dell equazione di Schrödinger per potenziali monodimensionali (barriere, reticoli, pacchetti) #3: calcolo numerico di autofunzioni in potenziali periodici (modello di Kronig-Penney) e della densità all equilibrio in semiconduttori D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 7

8 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido L2 8 Laboratorio numerico k z 100nm 5nm 100nm 5nm 100nm k y k x T=600K Scopo: vedere l elettronica dello stato solido (dipendenza dal tempo, 3D) e acquisire strumenti di approfondimento e gioco

9 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 9 Ricevimento/esami Ricevimento: Venerdì10-12AM, Via Golgi 40 Piano 2 (6120 o ielmini@elet.polimi.it) Esame: esercizi e domande scritte su tutto il corso (lezioni + esercitazioni + laboratorio) Sito web home.dei.polimi.it/ielmini/ess/ Slides Avvisi Temi d esame

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

11 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Nanoelettronica Nanoelettronica applicazioni nell ICT (information and communication technology) pervasiva (medicina, biologia, energia, industria, tempo libero) Sistemi ICT = software + hardware Hardware = sistemi (scheda, package, chip) 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 pezzo (chip) di silicio monocristallino

12 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Sistemi, circuiti e dispositivi Intel 32 nm Sandy Bridge 45 nm HKMG PMOS

13 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 13

14 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 Intel 486 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 14

15 Dispositivi elettronici allo stato solido 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 affidata a valvole: e.g. 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, piatti di capacità (e.g. metal gate) Isolanti = separazione tra connessioni e dielettrici in capacità (e.g. 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 in 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: 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

26 1958: primo circuito integrato (IC) Luglio 1958: J. Kilby (Texas Instruments) si accorge che tutti i componenti (transistor, resistenze, capacità, interconnessioni) possono essere fatti 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 26

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 mps dal 1970 al 2008 N raddoppia ogni 18 mesi N raddoppia ogni 24 mesi

29 Legge di Moore: wikipedia An Osborne Executive portable computer, from 1982, and an iphone, released 2007 (iphone 3G in picture). The Executive weighs 100 times as much, has nearly 500 times the volume, cost 10 times as much, and has a 100th the clock frequency of the iphone D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 29

30 Limiti della legge di Moore D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 30

31 More Moore and more than Moore D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Enhanced functionality Enhanced density, novel concepts/materials

32 More than Moore D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 32

33 More Moore: il memristor D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido 01 33

34 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Memristor a nanowire A Ni NiO shell B NiO shell Set state Ni A I Low R V I High R B (b) D (a) C 2 mm Reset state (c) D (b) V #1 #2 #3 #4 C 2 mm (e) (f)

35 D. Ielmini Elettronica dello Stato Solido Circuiti sinaptici Jo, et al., Nanolett. (2010)

36 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, alcuni fondamenti di fisica quantistica e dello stato solido sono necessari La crescita esponenziale prevista da Moore non continuerà per sempre. Servono innovazioni di fisica/materiali/architetture + visione su nuove applicazioni