APRIAMO UN PC … motherboard I calcolatori sono macchine complesse; elaborano numeri, testi, suoni, immagini… Il “cervello” del calcolatore è costituito dalla CPU (unità centrale di elaborazione) o processore, che include al suo interno tutti i circuiti necessari per compiere le istruzioni elementari. transistor chip 1 computer = 1 o + CPU 1 CPU = 1 chip 1 chip = 107 – 108 transistor CPU computer Bussei Paolo Fisica 24 ore – Parma 21 febbraio 2003 bussei@fis.unipr.it

… la CPU o processore: sempre + veloci Capello Lo sforzo per raggiungere velocità di esecuzione delle istruzioni sempre maggiori ha portato alla realizzazione di processori sempre più complessi, con un numero via via crescente di moduli funzionali interni diversi. Transistor: ~ 1m2 Chip: ~150 mm2 Nome Data Transistor mm MHz 8080 1974 6.000 6 2 8088 1979 29.000 3 5 80286 1982 134.000 1.5 80386 1985 275.000 16 80486 1989 1.200.000 1 25 Pentium 1993 3.100.000 0.8 60 Pentium II 1997 7.500.000 0.35 233 Pentium III 1999 9.500.000 0.25 450 Pentium 4 2000 42.000.000 0.18 1500 2002 > 55.000.000 0.13 > 3000 Wafer:  300 mm

… ma tutto ciò come si collega con la fisica? I componenti microelettronici sono un po’ ovunque, fanno parte della nostra vita quotidiana: cellulari, telecomando della TV, puntatore laser, lettori MP3, orologi al quarzo, sensori ottici delle macchine fotografiche digitali, videocamere , … Il funzionamento di tutti questi apparecchi è stato possibile grazie alla comprensione delle leggi della fisica dello stato solido, in particolare dei … … semiconduttori

SCOPERTA DEI SEMICONDUTTORI E PRIME APPLICAZIONI 1782 A. Volta introduce la parola “semiconduttori” 1833 M. Faraday nota che la conducibilità (σ) di alcuni materiali aumenta con T 1874 F. Braun primi diodi a cristallo 1897 J.J. Thomson scopre l’elettrone 1901 V. E. Riecke scopre che la corrente elettrica nei metalli è dovuta al moto degli elettroni 1903 J. Koenigsberg postula che la resistività (ρ) dei semiconduttori dipende da T 1931 A. Wilson propone una teoria a bande dei solidi e il concetto di impurezze donori ed accettori. 1931 W. Heisenberg concetto di lacuna come quasi-particella di carica positiva che descrive gli stati vuoti in una banda altrimenti piena. 1931 W. Pauli scrive a R. Peierls "uno non deve lavorare sui semiconduttori, sono un pasticcio, chi sa se addirittura esistono i semiconduttori” 1936 Bell Telephone Laboratories programma di ricerca per sostituire i commutatori elettromeccanici con quelli a stato solido. 1939 - 1945 II guerra mondiale: gran parte delle ricerche si spostano su problemi connessi con l’industria bellica…

LA SCOPERTA DEL TRANSISTOR … 1939 Shockley: dispositivo amplificatore basato su semiconduttore 1940 primo fotodiodo basato su di una giunzione p/n in silicio 1945 Riparte il progetto sui semiconduttori dei laboratori Bell 1947 Invenzione del Transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley ) 1948 prima radio a transistor 1949 Shockley propone il transistor bipolare a giunzione Ottobre 1951 Western Electric : primi transistor commerciali (amplificatori per auricolari per sordi) 1954 Texas Instrument produce la prima radio basata su transistor....è un disastro commerciale perchè troppo costosa. 1956 Bardeen, Brattain e Shockley ricevono il premio Nobel per la scoperta del Transistor. Il primo transistor … … ed uno di oggi

PROPRIETA’ FISICHE DELLA MATERIA bande di energia Nella formazione dei solidi, gli orbitali atomici si fondono a formare orbitali cristallini, estesi a tutto lo spazio occupato dal solido. Gli elettroni di valenza nei solidi, dunque, non sono più legati ai singoli atomi, ma sono delocalizzati. Larghezza banda : qualche eV A questi elettroni non corrispondono più singoli livelli discreti di energia, ma moltissimi livelli con valori vicinissimi l’uno all’altro, ossia distribuiti in modo quasi continuo in un certo intervallo dell’energia. A questa distribuzione si dà il nome di banda di energia. Le varie bande possono essere separate da intervalli di energia proibiti, che non possono essere occupati da alcun elettrone.

elettroni e lacune La configurazione elettronica di un solido a temperature diverse dallo zero assoluto è in generale diversa da quella corrispondente allo stato fondamentale. Nei semiconduttori ad esempio, per effetto della temperatura può accadere che la banda di valenza non sia completamente occupata. A livello pittorico possiamo immaginare che in un livello non occupato della banda di valenza sia presente una particella immaginaria, detta “buca” o “lacuna”. Una delle conseguenze inaspettate della teoria delle bande è che questa “particella” si comporta come se avesse carica elettrica positiva: sotto l’azione di un campo elettrico esterno accelera nello stesso verso del campo elettrico applicato.

Proprietà dei semiconduttori. Passando da un materiale ad un altro, s può variare di molti ordini di grandezza: superconduttori: s infinita, per T < Tc (temperatura critica) metalli: s  106  104 (W.cm) -1 semiconduttori: s  103  10-6 (W.cm) -1 (a temperatura ambiente) isolanti: s  10-10  10-20 (W.cm) –1 L’enorme variazione di s dipende dalla configurazione elettronica dello stato fondamentale del cristallo. s nei semiconduttori dipende fortemente dalla temperatura e dal contenuto di impurezze.

Proprietà dei semiconduttori: impurezze (donori e accettori) Donore è un’impurezza che cede facilmente (“dona”) uno dei suoi elettroni di valenza alla banda di conduzione del semiconduttore. Un donore tipico è il fosforo (pentavalente). Il livello di energia dell’elettrone del P è all'interno del gap, poco al di sotto della banda di conduzione. Il semiconduttore è detto "di tipo n ", perché i portatori sono gli elettroni, di carica negativa. Un analogo discorso vale se invece dei donori sono presenti impurezze accettori, come ad esempio il boro che è trivalente. I tre elettroni di valenza del boro sono legati in modo covalente a tre atomi di silicio adiacenti, lasciando vacante il legame con il quarto atomo. Questo equivale a dire che una lacuna sta intorno al boro. Allora i portatori maggioritari sono le lacune e il semiconduttore è detto "di tipo p ", perché le lacune si comportano come particelle di carica positiva.

Giunzione p-n. Un semic. omogeneo ad una data T si comporta come una normale resistenza, sia esso intrinseco o drogato. Le applicazioni pratiche dei semic. in generale si basano su monocristalli nei quali è stata artificialmente creata una variazione nel drogaggio più o meno brusca: una giunzione p - n Al campo elettrico che si crea fra le due zone si devono le importanti caratteristiche elettriche della giunzione. Crescita dal fuso zona di svuotamento o “depletion layer” diffusione Epitassia da fasci molecolari (MBE) Alcuni metodi per la formazione di una giunzione

Polarizzazione della giunzione (I) Quando alla giunzione è applicata una tensione esterna V, l’equilibrio viene alterato e attraverso la giunzione si stabilisce un flusso di portatori di carica la cui intensità dipende fortemente dal segno della tensione applicata. Dato il carattere asimmetrico della giunzione p-n sono infatti possibili due configurazioni distinte: diretta Caratteristica I-V per una giunzione p-n (notare la scala per I ) polarizzata in diretta la parte p viene posta a potenziale maggiore convenzionalmente V > 0 la barriera è ora inferiore rispetto al caso di equilibrio e l’intensità della corrente cresce rapidamente all’aumentare del campo applicato

Polarizzazione della giunzione (II) la tensione esterna aumenta il potenziale elettrico della parte n convenzionalmente V < 0 il flusso dei portatori scende praticamente a zero ed è pressoché indipendente dal valore del potenziale applicato inversa Caratteristica I-V per una giunzione p-n (notare la scala per I ) polarizzata in inversa

Applicazioni della giunzione Una struttura costituita da una giunzione p - n con contatti ohmici agli estremi delle zone neutre p ed n è detto diodo a giunzione p - n. transistor dispositivi optoelettronici (emissione e rivelazione della radiazione) celle solari dispositivi a microonde Fotodiodi al Si per l’UV e un diodo laser Struttura di una cella solare a giunzione struttura di un diodo laser a giunzione struttura del LED

Il transistor bipolare a giunzione Il transistor bipolare a giunzione è il primo dispositivo elettronico attivo affidabile costruito sfruttando le proprietà fisiche dei cristalli semiconduttori motivi del successo dei transistor (rispetto ai triodi): funzionano utilizzando correnti e tensioni bassissime sono ordini di grandezza più veloci economici affidabili La proprietà più importante è la possibilità di fabbricare transistor di dimensioni microscopiche in forma integrata giunzioni

Polarizzazione del transistor In assenza di potenziale elettrico esterno, i portatori di carica si ridistribuiscono all’interno del transistor in modo da creare una condizione di equilibrio. Proprio come accade in un diodo semiconduttore. La condizione di equilibrio, può essere alterata applicando una differenza di potenziale ai capi delle due giunzioni del transistor, ovvero tra emettitore e base (VEB) e tra il collettore e la base (VCB).

Transistor ad effetto campo Giunzioni p-n e transistor a giunzione: dispositivi BIPOLARI Esistono anche transistor UNIPOLARI: JFET MOSFET CMOS Transistor di questo tipo sono detti “ad effetto di campo” o FET (Field Efffect Transistor). I vari tipi di transistor ad effetto campo agiscono come amplificatori controllati in tensione Vantaggi: lavorano con un minimo consumo di energia possono essere ultra miniaturizzati consentono la memorizzazione di segnali (gate) Queste caratteristiche hanno favorito lo sviluppo di calcolatori tascabili orologi digitali Very Large Scale Integration (VLSI) microprocessori

L’effetto campo La presenza di un campo elettrico esterno, altera la struttura delle bande di energia e modifica la conducibilità del semiconduttore. Questo è l’ effetto campo che viene impiegato per diminuire o aumentare la conducibilità di un semiconduttore. Si forma così in prossimità della superficie un “canale” o zona di svuotamento, tanto più ampia quanto maggiore è il potenziale VG del gate. Quando la tensione del gate supera un valore di soglia VT, si forma in prossimità della superficie un secondo strato caratterizzato da un’alta concentrazione di portatori minoritari. Questo è lo “strato di inversione”. In pratica, sotto l’azione del campo esterno, le bande del semiconduttore si piegano al punto tale da rendere energeticamente più favorevole (ad esempio per un semiconduttore di tipo p) la banda di conduzione rispetto a quella di valenza.

Fine della legge di Moore? “1975 - Il numero di transistor (e quindi la potenza di calcolo) raddoppia ogni 18 – 24 mesi” Le dimensioni dei transistor stanno raggiungendo fondamentali limiti fisici e tecnologici: Limite Situazione Previsioni Problemi Spessore dell’ossido di Si sotto il gate 2-3 nm 1.5 nm ~ 2004 - 2005 Se diventa + sottile gli e- “tunnelano” Larghezza del gate 130 nm 25 – 30 nm ~ 2010 Effetti di “canale corto” Tensione al gate 1.2 – 1.5 volt 1 volt Per tensioni minori il transistor non conduce correttamente Possibili soluzioni: Raffreddare i transistor a –40°C  2010 Design + efficiente dei circuiti  2010 Singolo computer su un unico chip  2010 – 2020 Sistemi multiprocessore, parallelizzazione  2020 … -- 2020 Oltre? Opinioni contrastanti…

Dal silicio al computer http://informando.infm.it Semtec LINKS UTILI … Dal silicio al computer http://informando.infm.it Semtec http://britneyspears.ac/lasers.htm http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html http://electronics.howstuffworks.com/index.htm http://www.research.ibm.com/thinkresearch/