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Elettronica dello Stato SolidoLezione 1: Introduzione

Daniele Ielmini

DEI – Politecnico di Milano

[email protected]

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 dello stato e del trasporto di portatori nei materiali 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)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)


Riferimenti

• Libri:

– Eisberg, Resnick: Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles (J. Wiley)

– Neamen: Semiconductor Physics and devices: Basic principles (McGraw Hill)

• Le slide si trovano al sitohttp://corsi.dei.polimi.it/ess/


Relazione con gli altri corsi

Dispositivi elettronici

Fondamenti di elettronica

Elettronica analogica Sistemi elettronici digitali

Nanoelettronica (LS)Optoelettronica


Elettronica dello Stato Solido

Fisica sperimentale I Fisica sperimentale II Fisica sperimentale III

Organizzazione del corso

• organizzazione:

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

– 2 ore settimanali per esercitazioni (totale 32 ore)

– 3+3+3 ore di laboratorio (totale 9 ore)

• Calcolo numerico di autofunzioni/autovaloridell’equazione di Schrodinger per profili di potenziale dell’equazione di Schrodinger per profili di potenziale monodimensionali

• Calcolo numerico di autofunzioni in potenziali periodici

• Applicazioni per il progetto di semplici dispositivi elettronici

• Ricevimento: venerdì10-12AM (6120 o [email protected])

• Esame: esercizi e domande scritte


Outline






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 di silicio monocristallino


Sistemi, circuiti e dispositivi


Alcuni sistemi elettronici

... Inoltre sistemi medicali (diagnostica, PET, NMR, etc.), automotive (airbag, controllo di motori, etc.), domotica (lavatrice, forno, etc.), controlli industriali (PLC, etc.) ...


Circuiti integrati elettronici (ICs)

IC in package (memoria flash)


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

Circuito di memoria NAND integrata


SRAM integrata

Dispositivi elettronici allo 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 computer da 30-ton, 18,000 valvole


• L’immagazzinamento di dati è ancora oggi affidato a dischi/nastri magneticie e CD/DVD ottici

Materiali solidi in elettronica

ISOLANTI: SiO2

(dielettrico di gate),

SiN (spacer) o

dielettrici alternativi

con alta (high-K) o

bassa costante

dielettrica (low-K)METALLI: Cu

(interconnessioni),

W (plug) e


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

Re

sist

ivit

y[µ

Ωcm

]

V = RI

R = l / Aρ


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

Nic

hro

me C

Te

Ge Si B S

e P

SiN

SiO

2 S

pa

raff

ina

PE

T

tefl

on

METALLI

Re

sist

ivit

y

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 positiva) che può muoversi sotto l’effetto di un campo elettrico e generare una corrente

– Metalli: abbondanza di portatori disponibili– Semiconduttori: pochi portatori disponibili– Isolanti: praticamente nessun portatore

• La disponibilità di portatori dipende dalle proprietà di legame del solido


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


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

Use in microelectronics

• Materiali usati nell’IC per interconnessioni (metalli), zone attive (semiconduttori), isolanti, droganti (esclusi i materiali usati nel processo, packaging, saldature,etc.)


Applicazioni

• Metalli = interconnessioni o piatti di capacità (bassa resistenza)

• Isolanti = separazione tra fili e dielettrici in capacità

• 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


Drogaggio in semiconduttori


Il diodo e il transistore a giunzione bipolare (BJT) sono basati sul drogaggio alternato di semiconduttori

Inversione in semiconduttori

I D[m

A]


Una regione di silicio p può diventare di tipo n mediante l’applicazione di un campo verticale effetto del transistore MOSApplicazione = switch (digitale) o generatore di corrente comandato da tensione (analogico)

Outline






Breve storia della microelettronica

• Pietre miliari:

– 1897: Faraday scopre l’elettrone

– 1947: primo transistore a stato solido

– 1958: primo IC

– 1965: legge di Moore– 1965: legge di Moore

– 1971: primo microprocessore (µP)


1897: esperimento di Thomson

• 1897: Thomson (Cambridge) scopre l’elettrone: (i) rivela una carica negativa depositata da raggio catodico e (ii) riesce a deflettere il raggio con un campo elettrico (le onde invece sarebbero inalterate da un campo statico)


1947: prima realizzazione pratica del transistore

• 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

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


Dal quaderno di Brattain – 1

“Ad una conferenza in data Nov. 22 or 29 è stato deciso di provare tutte queste combinazioni”


combinazioni”

“Due contatti vicini – il potenziale su un punto modulerebbe la corrente che fluisce sull’altro punto”

Primo transistore a giunzione

• Shockley (responsabile del gruppo di stato solido ai Bell Labs) non diede contributi all’originale invenzione del transistore a contatto di punto

• Nel 1948, Shockley ce la mise tutta per sviluppare un nuovo concetto di transistore a sandwich, basato su un semiconduttore a tre strati con basato su un semiconduttore a tre strati con drogaggio alternato funzionante sullo stesso principio del triodo a vuoto


• La principale differenza rispetto al transistore a contatto di punto = effetto di bulk invece di conduzione di superficie

Dal quaderno di Shockley

La linea orizzontalesul margine recita: "April 1950. Un’unitàNPN è statadimostrata oggi daBrown, Fisk, Wilson,


Brown, Fisk, Wilson, Morton."

Nel gennaio 1951, Shockley fornì la suadimostrazione del concetto

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.


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!)


• 2000: Premio Nobel a Kilby per la suainvenzione (R. Noyce era già morto nel 1990)

Il microprocessore

• All’inizio gli IC erano circuiti custom per specifiche funzioni, non in grado di lanciare programmi o memorizzare dati

• T. Hoff (Intel) pensò che le unità di memoria, di calcolo e di elaborazione dati di un calcolatore avrebbero potuto essere realizzate in un singolo IC, invece degl’iniziali 12 chip concepiti dal invece degl’iniziali 12 chip concepiti dal committente (Busicon)

• Intel capì il potenziale rivoluzionario della nuova idea e restituì i $60,000 anticipati da Busicon per possedere completamente i diritti di invenzione

• 1971: invenzione del primo microprocessore general-purpose denominato 4004


1971: Intel 4004

4 bit, 2300 transistori, 108 kHz, potente come l’ENIAC


La legge di scaling di Moore

• 1965: dopo appena 4 ani dal primo IC commerciale, Moore osserva che il numero di transistori integrati raddoppia ogni 18 mesi


µPs dal 1970 al 2008


N raddoppia ogni

24 mesi

N raddoppia ogni

18 mesi

Limiti della legge di Moore


Cosa c’è oltre?• La legge di Moore alla fine troverà un muro (e.g.

dissipazione termica, correnti di leakage, rumore termico, limiti quantistici)

• Per sostenere lo scaling degli IC serve un paradigmshift:

– Dispositivi molevolari– Dispositivi molevolari

– IC in 3D

– More than Moore: integrazione di sistema piuttosto che di densità di transistori, e.g. biosensori + elaborazione di dati per elettronica megafunzionale

– Nuovi approcci architetturali (sinaptronica, computazione cognitiva)D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 37

Discontinuità

• Quale che sia la prossima prossimarivoluzione (nanotecnologia? Memristor? Spintronica? DNA?), molto probabilmente la nuova tecnologia sarà piccola, veolce e allo stato solidoallo stato solido

• L’elettronica dello stato solido non smetterà di giocare un ruolo chiave nell’ingegneria elettronica


Conclusioni• I dispositivi elettronici richiedono la partecipazione di

svariati 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 nascita dell’elettronica dello stato solido e dello scaling dei dispositivi secondo la legge di Moore provoca una rivoluzione sociale : la società basata sull’informazione

• La crescita esponenziale prevista da Moore non continuerà per sempre. Servono innovazioni di fisica/materiali/architetture sono necessarie


Link utili

• http://www.pbs.org/transistor/

• http://www.intel.com/technology/mooreslaw/

• http://www.ti.com/corp/docs/kilbyctr/jackstclair.shtml


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