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Elettronica dello Stato Solido
Lezione 1: Introduzione
Daniele Ielmini
DEI – Politecnico di Milano
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Outline
• Informazioni sul corso
• Introduzione all’elettronica dello stato solido
• Breve storia della microelettronica
• Conclusioni• Conclusioni
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 2
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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
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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/
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 4
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Laurea specialistica
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Indirizzo Sistemi
Pri
mo
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Se
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nd
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Indirizzo Fisico
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Indirizzo Medicina/Nanobio
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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)
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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
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Outline
• Informazioni sul corso
• Introduzione all’elettronica dello stato solido
• Breve storia della microelettronica
• Conclusioni• Conclusioni
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 11
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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
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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
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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
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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
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Dai circuiti ai dispositivi
SRAM integrata
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DRAM integrata
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Dispositivi elettronici allo stato solido
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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Outline
• Informazioni sul corso
• Introduzione all’elettronica dello stato solido
• Breve storia della microelettronica
• Conclusioni• Conclusioni
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 26
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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
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 27
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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
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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)
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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
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µPs dal 1970 al 2008
N raddoppia ogni
18 mesi
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 31
N raddoppia ogni
24 mesi
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Limiti della legge di Moore
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 32
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More than Moore
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 33
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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
D. Ielmini – Elettronica dello Stato Solido 01 34