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Elettronica dello Stato Solido
Lezione 1: Introduzione
Daniele Ielmini
DEI – Politecnico di Milano
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
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 6
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 [email protected])
• 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
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 11
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
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 13
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)
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 15
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
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 22
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]
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 25
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
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 26
• 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
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 27
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!)
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 29
• 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
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 30
µPs dal 1970 al 2008
N raddoppia ogni
18 mesi
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 31
N raddoppia ogni
24 mesi
Limiti della legge di Moore
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 32
More than Moore
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 33
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
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 34