Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Seminario di R. Feynman (1) There's...

Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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Seminario di R. Feynman (1)

• There's Plenty of Room at the Bottom /An Invitation to Enter a New Field of Physics/ /by Richard P. Feynman (29-Dic-1959)

• “In the year 2000, when they look back at this age, they will wonder why it was not until the year 1960 that anybody began seriously to move in this direction.

• Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?”


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• So, ultimately, when our computers get faster and faster and more and more elaborate, we will have to make them smaller and smaller. But there is plenty of room to make them smaller. There is nothing that I can see in the physical laws that says the computer elements cannot be made enormously smaller than they are now. In fact, there may be certain advantages.


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• But if your machine is only 100 atoms high, you only have to get it correct to one-half of one percent to make sure the other machine is exactly the same size---namely, 100 atoms high! At the atomic level, we have new kinds of forces and new kinds of possibilities, new kinds of effects.


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Costruzione dispositivi integrati


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Miniaturizzazione di un MOSFET

Miniaturizzazione di un MOSFET

Si passa da 6000 m2

A 50 m2.

Oggi: 0,5 m2 (0,1x0,1 m)


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Esempio di costruzione di un MOSFET


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Scala di integrazione

I circuiti integrati si classificano in base al numero dicomponenti:

•Circuiti integrati su piccola scala (SSI): 1-100 componenti

•Circuiti integrati su media scala (MSI): 100-1000 componenti

•Circuiti integrati su larga scala (LSI): 1000-100000 componenti

•Circuiti integrati su larghissima scala (VLSI): > 100000 componenti


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Miniaturizzazione (1)•Problema: come ridurre le dimensioni del dispositivo MOS mantenendone inalterate le caratteristiche di funzionamento.

Parametro fondamentale:

L = lunghezza di canale


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Miniaturizzazione (2)

Se WS = larghezza della giunzione sorgente-substrato

E WD = larghezza della giunzione collettore-substrato

Quando WS+WD L le due regioni comunicano direttamente (punch-through)Il gate non svolge più l’azione di controllo

non vale più il modello detto a canale lungo.


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Miniaturizzazione (3)WS

2 = h(Vbi + VBS) ; WD2 = h(VD + Vbi + VBS )

Con: h = 2S/(qNA) = costante che dipende dal materiale

A seconda delle condizioni di funzionamento il limite di canale corto può variare.

Soluzione: si riscalano di un fattore k > 1 tutte le dimensioni geometriche ed anche le tensioni, in modo che i campi elettrici rimangano costanti (campo elettrico = tensione/distanza)


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Miniaturizzazione (4)Cosa accade alle grandezze caratteristiche?

V1 = V0/k ; C0

1 = C0k ; potenza1 = (potenza)0/k2 ; (Energia di commuta.)1= (Energia di commutazione)0/k3 ;

(Densità di corrente)1 = (Densità di corrente )0k

Limite perché la massima densità di corrente è di circa 105 A/cm2 per un conduttore di alluminio.


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Miniaturizzazione (5)

0,08 m= 80 nmlimiti industrialiattuali

0,35 m CPU 1998

0,13 m CPU oggi


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Limiti fondamentali (1)

Limite quantistico sull’energia:Una operazione svolta in un tempo implica una energia necessaria E tale che:

E > h/2 con h = 6.63x10-34 J s

Per = 10-11 s = 10 ps (frequenza di 100 GHz)

Emin =10-23 J Per un MOSFET attuale: E = 10-14 J

Siamo ancora abbastanza lontani


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Limiti fondamentali (2)Tempo minimo di transito in una cella:Se la cella ha le dimensioni x applicando unatensione V si ha un campo elettrico: E = V/ xSe la velocita di saturazione è vs, il tempo necessario sarà: = x/vs ; Se la tensione minima corrisponde alla energia termica divisa la carica elementare: V=kT/q per il silicio usando: Emax = 5•105 V/cm e vs = 107 cm/s si ottiene:

min = 5x10-15 s


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Oggi


min = 5x10-15 s


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Spessore dell’ossido di gate (5 nm)al di sotto si rischia il passaggio degli elettroni attraverso l’ossido (effetto tunnel quantistico)

Limite termico per la commutazione casuale: kT La tensione di funzionamento >> kT/q


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Limite di densità di corrente sulle linee di connessione:La corrente di uscita di una porta MOSFETè circa 1 A che ripartita su una linea da 1 m2

Da una densità di corrente: J=I/A = 105 A/cm2

Molto vicino al valore limite !!!!


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Limiti fondamentali (6)Limite di potenza per caricare e scaricare i nodidi un circuito:

La potenza può esprimersi come: P = 0.5 CV2nfdove n = numero dei dispositivi per piastrinaf = frequenza con cui si ripete l’operazioneC = capacità di un singolo dispositivo

La potenza si trasforma in energia termica che deveessere dissipata aumenta la temperatura


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Limiti fondamentali (7)L’aumento di temperatura deve essere limitato,altrimenti gli elettroni acquisirebbero abbastanza energia da scavalcare la banda proibita(per il silicio con banda di 1.1 eV T = 100 °C)

Data una dissipazione tipica di 1 Watt per uncontenitore di piastrina attuale, o si limita il numeroporte presenti sulla piastrina, o si limita la frequenzaa cui operano.Es. con NMOS da 1 m, e C = 5.10-3 PF, e f = 2GHz

Massimo di 105 dispositivi su una piastrina.


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Oggi ProcessoOggi Lab


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Quale futuro?Sembra chiaro che al di sotto di 10 nm (100diametri atomici) non si dovrebbe andare con l’attuale substrato di semiconduttori.Sia per fattori statistici (meccanicaquantistica) che di percentuali di drogaggioPerché diminuisce il numero di atomi drogantipresenti in quella lunghezza. serve una rivoluzione tecnologica

(nanotecnologie?)

(Nel 2004 costruito un transistor di 5 nm di lunghezza di gate) (IBM e NEC)


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Futuri FET: nanotubi?Spessore di un nanotubo: decine di nm (milionesimi di millimetro)(Le Scienze)


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Future memorie?

We report on a simple electromechanical memory device in which an iron nanoparticle shuttle is controllably positioned within a hollow nanotube channel. The shuttle can be moved reversibly via an electrical write signal and can be positioned with nanoscale precision. The position of the shuttle can be read out directly via a blind resistance read measurement, allowing application as a nonvolatile memory element with potentially hundreds of memory states per device. The shuttle memory has application for archival storage, with information density as high as 1012 bits/in2, and thermodynamic stability in excess of one billion years.


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