התקנים ומעגלים ננואלקטרונים

פרופ’ יוסי שחם-דיאמנד

אוניברסיטת תל-אביב

CMOSהתפתחות טכנולוגית

המעבר לננואלקטרוניקה

מתג

BA

C

Aכניסה -

Bיציאה -

Cבקרה -

“0 = ”C המתג פתוח - מסלול האות מנותק

“1 = ”C המתג סגור - מעביד אות

לוגיקה חיובית

שימושי מתגים

(GATES רכיבים לוגים - שערים ) •

זכרונות :•

ROMזיכרונות לקריאה בלבד - •

RAMזיכרונות גישה אקראית - •

NVRAMזיכרונות לא נדיפים - •

רכיבים לדגימת אות •

SCALING

הגדלת גודל ההתקנים:•

יותר מהירות

פחות הספק

יותר אמינות

יותר סיבוכיות

פחות מחיר

משמעות הגודל

דוגמה:

זיכרון לכתיבה בלבד בעזרת מתגים ודיודות

מימוש זיכרון בעזרת דיודות ומתגים

P

I0

I1

I2

I3

VDDO0 O1 O2 O3

PRECHARGEPRECHARGEשלב ראשון - שלב ראשון -

0

0

0

0

VDD0 0 0 0

P=1

שלב שני - קריאהשלב שני - קריאה

1

0

0

0

VDD1 1 1 0

P=0

מהי טבלת האמת של הזיכרון הקודם ?

I O

0001 1010

0010 0011

0100 1001

1000 0010

כמה זיכרון ניתן להכניס ל ס”מ רבוע ?

מיקרון0.18מיקרואלקטרוניקה: טכנולוגיה של

טרנזיסטור

דיודה

שטח התא:

~ מיליון תאים בס”מ 200רבוע

2cm . 910185

ננומטר10ננואלקטרוניקה: טכנולוגיה של

ביליון תאים לס”מ 6.25שטח התא: ויש רבוע

2cm . 111061

שימוש במתג לקבלת פונקציה לוגית

A

B

Precharge

C=A

A B C

0 0 0

0 1 0

1 0 0

ANDמימשנו את הפונקציה 1 1 1

שימוש במתג לקבלת פונקציה לוגית

Vin Vout

0 1

1 0

VDD

Vin

Vout

INVERTERמהפך -

יישום ארכיטקטורות ננומטריות - זיכרון “אינטליגנטי “

איך מקבלים מתג ?

בסיליקון:בסיליקון:

MOSטרנזיסטור

טרנזיסטור ביפולרי

במוליכים למחצה מורכביםבמוליכים למחצה מורכבים

טרנזיסטורי תופעת שדה

HBTטרנזיסטור ביפולרי עם צומת הטרוגנית ) )

איך מקבלים מתג “ננו”?

במוליכים למחצה:במוליכים למחצה:

התקנים קוונטים ננומטרים

התקנים אחריםהתקנים אחרים

התקני מנהור על בסיס מולקולות אורגניות

התקני ספין מגנטי

MOSטרנזיסטור

SIA roadmap - 1997

SIA roadmap - 1997

חסמים לטכנולוגיות מתגים

כאשר האנרגיה לכתיבה או חסם תרמודינמי - . kTקריאה של סבית מגיעה לערך של -

10-13כיום הנה כ CMOSהאנרגיה למיתוג שער ג’אול. אנרגיה זו גדולה פי מיליון מהחסם

התרמודינמי. אנרגית המיתוג מקיימת את עקרון חסם קוונטי -

אי-הוודאות

E t >h .

הנו תדר המיתוג fכאשר E/f~100hמקובל לדרוש

חסמים לטכנולוגיות מתגים )ב’(

כאשר לא ניתן לפזר את החום הנוצר חסם תרמי -במיתוג.

: צפיפות ההספק הנהP/A~E)N/A( pf

זוהי צפיפות ההתקנים N/Aכאשר E אנרגיה מבוזבזת במיתוגp (0.1החלק של ההתקנים שמיתמתג במחזור ) בדרך כלל ~ f התדר

וואט לס”מ רבוע100מקובל שצפיפות ההספק המכסימלית היא

Hadleyחסמים תיאורטיים של התקנים ננומטרים )96)

•SETSET is a three terminal device based on the Coulomb blockade where the number of electrons on an island or dot is an integer number controlled by a gate. The dot may have up to thousands of electrons depending on the size and material.

SET-Single Electronהתקני אלקטרונים בודדים - Transistors

A tunnel junction and its schematic diagram

Simple SET circuit

Complete Single Electron Transistor

התקנים “דמויי” ננומטרים•YanoYano-type memory is a two terminal device where information is stored in deep traps in poly-Si.

•Nano-flashNano-flash memory is a three terminal device without a tunnel barrier between source and drain but with the addition of a floating gate in between the driven gate and the transistor channel. When fabricated at nanoscale dimensions, the increase of charge by one electron causes an abrupt shift in the turn off voltage.

למרות שהאינפורמציה שמורה בהתקנים אלו במבנים ננומטרים יש הסתייגות לקרוא להם התקנים ננואלקטרונים

שכן הם גרסה מוקטנת של התקנים קונבנציונלים ) מיקרומטריים(.

לכידת אלקטרון ע”י מחסום אלקטרוסטטי

גדולה e2/Cקטן מאוד ניתן לקבל שאנרגיית הטעינה Cכאשר . kTמהאנרגיה התרמית

במקרה זה אלקטרונים יוכלו לצאת רק ע”י מנהור - ע”י הפעלת מתח ה”שער” כאשר יש הפרש פוטנצאלים בין

ה”מקור” ל”שפך”.

SETתכנון

תהיה גדולה e2/C כדי שאנרגיית הטעינה •יש להקטין את הקיבול kTמהאנרגיה התרמית

של השער. ניתן להראות שזה דורש מהשער ננומטר. 10להיות קטן מ-

צריכים להיות SET חישובים הראו שהתקני • ננומטר לכל היותר.2מגודל של

פועלים בדרך כלל בגבול הקוונטי. SET התקני •

אנרגיות המיתוג הן אלפית אלקטרון וולט ולכן •טמפרטורתההפעלה צריכה להיות מספר

מעלות קלווין.

SETבעית העומס ב-

SET לא יכול למתג עומסים קיבוליםמשמעותיים.

לפיכך נחוצים התקנים נוספים לתיווך בין לקווי תמסורת ושערים SETשערי

אחרים.

Nano-flashהתקני ננו-הבזק -

התקנים אלו שומרים את המידע ע”י •מטענים באשור השער.

רגיל וגדול DRAM התכנון שלהם קטן מ•SETמ-

הם יכולים לשמש שלב ביניים.•

תחזיות להתקנים ננומטרים• Silicon DRAM has complexity of 3x10 8 bits/chip at present and is projected to reach 3x10 11 bits/chip by 2012. • The drivers are complexity and access time; power dissipation is not a major issue for DRAM.

• CMOS DRAM speed, however, is close to saturation, rising from 100 MHz at present to 150 MHz by 2012, and this will become a major limitation.

•SRAM is faster and scales better (0.2 - 0.6 GHz now, 1 GHz in 2012), but dissipates power in much the same way as logic.

זיכרונות קונבנציונלים

התקנים קוונטים

SETבעיות ב-

. פלוקטואציות במטען הרקע הנובע מקיבול פרזיטי 1ורעש המיתוג.

. הדרישות מההומוגניות בלתי ניתנות למימוש כיום.2

SET. קשה לשלב התקני 3

תחליף את SETלפיכך לא נראה כיום שטכנולוגיית ה- .MOSטכנולוגיית ה-

RTD - Resonant Tunnelingהתקן מהוד מינהור - Device

RTDבור קוונטי כבסיס ל

RTהולכת זרם ב

כיוםכיום RTDRTDביצועי התקני ביצועי התקני

Comparison of Nanotransistor Technologies

Comparison of Nanotransistor Technologies

RTDאתגרים במימוש

. שליטה על מחסום המינהור - הטכנולוגיה 1היום לא בשלה ליצר מיליוני התקנים זהים

מבחינת יכולת המינהור.

. מוגבל למוליכים למחצה מורכבים )כיום(.2

. הספק יציאה נמוך - לא תחרותי עם התקנים 3אחרים.

• based upon a superconducting quantum effect, where a flux quantum is used as a bit. The basic switching elements are Josephson junctions (JJ).• Currently RSFQ works at speeds above 100 GHz and power dissipation down to 1 µW/gate.• There are two basically different technologies to produce RSFQ circuits, depending on weather low temperature superconductors (LTS) or high temperature superconductors (HTS) are employed.

Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) Logic

Intermolecular Nanoelectronics

המונח בא לתאר מיתוג ברמה המולקולרית.

• Ultimate bit densities of 10 12 bits/cm 2 [Hopfield 1992]• Decreased switching cycle times to 10 ps [Hameroff 1989]• Reduced energy per bit cycle to 1 eV [Hopfield 1992].

1. Tetrathiafulvalium (+) with a partially filled highest occupied molecular orbital to allow free states for conduction 2. Tetrathisfulvalene which is an insulator because of its filled highest molecular orbital.

שיטות אלטרנטיביות למיתוג מולקולרי

מיתוג אלקטרו מכנימיתוג אלקטרו מכני

התכונות מוגדרות ע”י הגדרת מיקום המולקולה ולא האלקטרונים שלה.

שצורתו עוותה ע”י 60Cדוגמה: השימוש ב העיוות הורטיקטךי שינה את . STMמחט של

RESONANTרמות המינהור בתהודה ) TUNNELLING )

שיטות אלטרנטיביות למיתוג מולקולרימיתוג פוטואקטיבי / פוטוכרומטימיתוג פוטואקטיבי / פוטוכרומטי

ישנן מולקולות, באופן ספציפי חלבונים, שהתכונות החשמליות שלהן משתנה עקב בליעת

פוטון.

לדוגמה: photochrome

bacteriorhodopsin חוטים מולקולריםחוטים מולקולרים

DNAדוגמה: שרשראות

חוטים מולקולרים

RTD ממומש ע”י חוט מולקולרי

Metallic and semiconductor single-walled carbon nanotubes are formed by rolling a single layer of graphite sheet

Various fullerene-based hetero-junctions

(WADA 97מתג מולקולרי )

1מתג מולקולרי, סוג

2מתג מולקולרי, סוג

(BISSEL 97מתג מולקולרי הפיך )

התקני ספין מגנטי

הנם ( MRAMזיכרונות גישה אקראית מגנטים ) זיכרונות בלתי-נדיפים המבוססים על שינויי

המוליכות במבנים רב-שכבתיים של חומרים מגנטים בעוביים ננומטרים.

דוגמאות:.

GMR - התקנים עם שיניי “ענק” שלמגנטורזיסטיביות כתוצאה מצימוד

פרומגנטי / אנטיפרומגנטי בשכבות דקות.

ההתקן מבוסס על הבדלי המוליכויות של אלקטרונים עם ספינים בכיוונים הפוכים.

האכלוס של הרמות האנרגטיות תלוי בשדה חיצוני המספק מאות הקריאה

התקני ספין מגנטי - יתרונות וחסרונות

לא נדיפים - יתרון•

ללא הגבר פנימי - שינוי אות קטן - חסרון•

להגבר. CMOS הם דורשים מעגלי •

מיליאמפר לקריאה.10 דורשים זרם גבוה - •

ננואלאקטרוניקה משולבת

מערכות

זכרונות לוגיקה

התקנים ננואלקטרונים

מיקרואלקטרוניקה

ננואלקטרוניקה

20062006צפי לשימוש במעגליזיכרון ננואלקטרונים בשנת צפי לשימוש במעגליזיכרון ננואלקטרונים בשנת

צפי לשימוש במעגלים לוגים ננואלקטרונים בשנת צפי לשימוש במעגלים לוגים ננואלקטרונים בשנת 20062006

20122012צפי לשימוש במעגלי זיכרון ננואלקטרונים בשנת צפי לשימוש במעגלי זיכרון ננואלקטרונים בשנת

20122012צפי לשימוש במעגלי זיכרון ננואלקטרונים בשנת צפי לשימוש במעגלי זיכרון ננואלקטרונים בשנת