Elettronica dello Stato Solido Lezione 1: Introduzionecorsi.dei.polimi.it/ess/pdf/ESS01_10.pdf ·...

Elettronica dello Stato Solido

Lezione 1: Introduzione

Daniele Ielmini

DEI – Politecnico di Milano

ielmini@elet.polimi.it

Outline

• Informazioni sul corso

• Introduzione all’elettronica dello stato solido

• Breve storia della microelettronica

• Conclusioni• Conclusioni

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 2

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 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 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

http://corsi.dei.polimi.it/ess/

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Laurea specialistica

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Indirizzo Sistemi

Pri

mo

an

no

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Se

co

nd

o a

nn

o

Indirizzo Fisico

Pri

mo

an

no

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Se

co

nd

o a

nn

o

Indirizzo Medicina/Nanobio

Pri

mo

an

no

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Se

co

nd

o a

nn

o

Organizzazione del corso

• Organizzazione:

– 3+2+2 ore settimanali di lezione (totale 60 ore)

– 2 ore settimanali di esercitazioni (totale 32 ore +

seminari)

– 3+3+3 = 9 ore di laboratorio (Venerdi’ 10.15-13.15, aula

S.17)

• 16/4: soluzione numerica stazionaria dell’equazione di • 16/4: soluzione numerica stazionaria dell’equazione di

Schrödinger per potenziali monodimensionali (buche)

• 14/5: soluzione numerica tempo-dipendente

dell’equazione di Schrödinger per potenziali

monodimensionali (barriere, reticoli, pacchetti d’onda)

• 4/6: calcolo numerico di autofunzioni in potenziali

periodici (modello di Kronig-Penney)

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)

• Date:

– 3/5: Prima prova in itinere– 3/5: Prima prova in itinere

– 8/7: Seconda prova in itinere (+ recupero PI1)

– 27/7: Primo appello

– 2/9: Secondo appello

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 10

Outline

• Informazioni sul corso

• Introduzione all’elettronica dello stato solido

• Breve storia della microelettronica

• Conclusioni• 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)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 (chip) di silicio monocristallino

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 12

Sistemi, circuiti e dispositivi

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Intel 45 nm Nehalem CPU

(0.7G transistors, 3.6 GHz,

4 cores, 8MB cache)

45 nm HKMG PMOS

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 14

Circuiti integrati elettronici (ICs)

IC in package

(memoria flash)

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Primo IC nel 1958 Wafer con decine

di ICs

Intel 486

•IC digitali (microprocessori,

microcontrollori, memorie, FPGA)

•IC analogici (amplificatori, mixers,

trasmettitori/ricevitori, filtri)

•Convertitori

Dai circuiti ai dispositivi

SRAM integrata

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 16

DRAM integrata

Dispositivi elettronici allo stato solido

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 17

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 computer da 30-ton, 18,000

valvole

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 18

• L’immagazzinamento

(storage) di dati è ancora oggi

affidato a dischi/nastri

magnetici e CD/DVD ottici

Materiali solidi in elettronicaISOLANTI: SiO2

(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

METALLI: Cu (interconnessioni), W (plug) e

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 19

costante dielettrica (low-K, interlayerdielectric)

SEMICONDUTTORI: Si, or semiconduttori alternativi (Ge, SiGe, composti III-V come GaAs, InGaAs)

W (plug) e composti metallici come TaN, TiN, etc. per il gate(soprattutto se abbinati a high K)

Resistività elettrica

1E+16

1E+18

1E+20

1E+22

1E+24

1E+26

1E+28

1E+30

1E+32

SEMICONDUTTORI

ISOLANTI

Resistivity[µ

Ωcm

]

V = RI

R = l / Aρ

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 20

1E+00

1E+02

1E+04

1E+06

1E+08

1E+10

1E+12

1E+14

1E+16

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

METALLI

Resistivity

R = l / Aρ

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 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

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 21

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

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http://facstaff.gpc.edu/~pgore/PhysicalScience/Periodic-table.html

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• 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 23

Drogaggio in semiconduttori

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 24

Il diodo e il transistore a giunzione bipolare (BJT)

sono basati sul drogaggio alternato di semiconduttori

Inversione in semiconduttori

I D[m

A]

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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)

Outline

• Informazioni sul corso

• Introduzione all’elettronica dello stato solido

• Breve storia della microelettronica

• Conclusioni• Conclusioni

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• Due contatti d’oro (base e collettore) a meno di 1mm uno dall’altro. A un contatto, l’oro inietta lacune nel

• Dicembre 1947: Brattain (sperimentale) e Bardeen

(teorico) lavorano ad un transistore a contatto di

punta al germanio

1947: il primo transistor

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

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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 28

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 • In data Aprile 25, 1961, l’ufficio brevetti concede il primo brevetto per un circuito integrato a Robert Noyce mentre la domanda di Kilbyancora deve essere analizzata (la burocrazia!)

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• 2000: Premio Nobel a

Kilby per la sua

invenzione (R. Noyce era

già morto nel 1990)

1965: legge di Moore

• Dopo appena 4 anni dal primo IC commerciale, Moore osserva che il numero di transistori integrati raddoppia ogni 18 mesi

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µPs dal 1970 al 2008

N raddoppia ogni

18 mesi

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N raddoppia ogni

24 mesi

Limiti della legge di Moore

D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 32

More than Moore

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Conclusioni

• I dispositivi elettronici richiedono la

partecipazione 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 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

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