Seminario di R. Feynman (1)

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 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?” Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Costruzione dispositivi integrati
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Miniaturizzazione di un MOSFET
Si passa da m2 A 50 m2. Oggi: 0,5 m2 (0,1x0,1 m) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Esempio di costruzione di un MOSFET
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Scala di integrazione I circuiti integrati si classificano in base al numero di componenti: Circuiti integrati su piccola scala (SSI): componenti Circuiti integrati su media scala (MSI): componenti Circuiti integrati su larga scala (LSI): componenti Circuiti integrati su larghissima scala (VLSI): > componenti Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Miniaturizzazione (1) Problema: come ridurre le dimensioni del dispositivo MOS mantenendone inalterate le caratteristiche di funzionamento. Parametro fondamentale: L = lunghezza di canale Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Miniaturizzazione (3) WS2 = h(Vbi + VBS) ; WD2 = h(VD + Vbi + VBS ) Con: h = 2S/(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) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Miniaturizzazione (4) Cosa accade alle grandezze caratteristiche? V1 = V0/k ; C01 = 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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Miniaturizzazione (5) 0,35 m CPU 1998 0,08 m = 80 nm limiti industriali attuali 0,13 m CPU oggi Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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 = s = 10 ps (frequenza di 100 GHz) Emin =10-23 J Per un MOSFET attuale: E = J Siamo ancora abbastanza lontani Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Tempo minimo di transito in una cella: Se la cella ha le dimensioni x  applicando una tensione V si ha un campo elettrico: E = V/ x Se 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 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Oggi  min = 5x10-15 s Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Limite di densità di corrente sulle linee di connessione: La corrente di uscita di una porta MOSFET è 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 !!!! Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Limite di potenza per caricare e scaricare i nodi di un circuito: La potenza può esprimersi come: P = 0.5 CV2nf dove n = numero dei dispositivi per piastrina f = frequenza con cui si ripete l’operazione C = capacità di un singolo dispositivo La potenza si trasforma in energia termica che deve essere dissipata  aumenta la temperatura Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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 un contenitore di piastrina attuale, o si limita il numero porte presenti sulla piastrina, o si limita la frequenza a cui operano. Es. con NMOS da 1 m, e C = PF, e f = 2GHz  Massimo di 105 dispositivi su una piastrina. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Oggi Lab Oggi Processo Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Quale futuro? Sembra chiaro che al di sotto di 10 nm (100 diametri atomici) non si dovrebbe andare con l’attuale substrato di semiconduttori. Sia per fattori statistici (meccanica quantistica) che di percentuali di drogaggio Perché diminuisce il numero di atomi droganti presenti in quella lunghezza.  serve una rivoluzione tecnologica (nanotecnologie?) (Nel 2004 costruito un transistor di 5 nm di lunghezza di gate) (IBM e NEC) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

Futuri FET: nanotubi? Spessore di un nanotubo: decine di nm (milionesimi di millimetro) (Le Scienze) Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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. Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli

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