APRIAMO UN PC …APRIAMO UN PC …

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.

computercomputer

motherboardmotherboard

CPUCPU

chipchip

transistortransistor

1 computer = 1 o + CPU1 computer = 1 o + CPU1 CPU = 1 chip1 CPU = 1 chip1 chip = 101 chip = 1077 – 10 – 1088 transistor transistor

1 computer = 1 o + CPU1 computer = 1 o + CPU1 CPU = 1 chip1 CPU = 1 chip1 chip = 101 chip = 1077 – 10 – 1088 transistor transistor

Bussei Paolo bussei@fis.unipr.itFisica 24 ore – Parma 21 febbraio 2003

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.

… … la CPU o processore: sempre + velocila CPU o processore: sempre + veloci

NomeNome DataData TransistorTransistor mm MHzMHz

80808080 19741974 6.0006.000 66 22

80888088 19791979 29.00029.000 33 55

8028680286 19821982 134.000134.000 1.51.5 66

8038680386 19851985 275.000275.000 1.51.5 1616

8048680486 19891989 1.200.0001.200.000 11 2525

PentiumPentium 19931993 3.100.0003.100.000 0.80.8 6060

Pentium IIPentium II 19971997 7.500.0007.500.000 0.350.35 233233

Pentium IIIPentium III 19991999 9.500.0009.500.000 0.250.25 450450

Pentium 4Pentium 4 20002000 42.000.00042.000.000 0.180.18 15001500

Pentium 4Pentium 4 20022002 > 55.000.000> 55.000.000 0.130.13 > 3000> 3000

Transistor:~ 1m2

Chip:~150 mm2

Wafer: 300 mm

Capello

… … ma tutto ciò come si collega con la fisica?ma tutto ciò come si collega con la fisica?

I componenti microelettronici sono un po’ ovunque, fanno parte della nostra vita quotidiana:

•cellularicellulari,

•telecomando della TVtelecomando della TV,

•puntatore laserpuntatore laser,

•lettorilettori MP3MP3,

•orologi al quarzoorologi al quarzo,

•sensori ottici delle macchine sensori ottici delle macchine fotografiche digitalifotografiche digitali,

•videocamere videocamere , …

Il funzionamento di tutti questi apparecchi è stato possibile grazie alla comprensione delle leggi della fisica dello stato solido, in particolare dei …

… … semiconduttorisemiconduttori

1782 A. Volta1782 A. Volta introduce la parola “semiconduttori”introduce la parola “semiconduttori”

1833 M. Faraday1833 M. Faraday nota che la conducibilità (σ) di alcuni materiali aumenta con Tnota che la conducibilità (σ) di alcuni materiali aumenta con T

1874 F. Braun1874 F. Braun primi diodi a cristallo primi diodi a cristallo

1897 J.J. 1897 J.J. Thomson Thomson scopre l’elettronescopre l’elettrone

1901 V. E. Riecke1901 V. E. Riecke scopre che la corrente elettrica nei metalli è dovuta al moto degli scopre che la corrente elettrica nei metalli è dovuta al moto degli elettronielettroni

1903 J. 1903 J. KoenigsbergKoenigsberg postula che la resistività (ρ) dei semiconduttori dipende da Tpostula che la resistività (ρ) dei semiconduttori dipende da T

1931 A. Wilson1931 A. Wilson propone una teoria a bande dei solidi e il concetto di impurezze propone una teoria a bande dei solidi e il concetto di impurezze donori ed accettori.donori ed accettori.

1931 W. 1931 W. HeisenbergHeisenberg

concetto di lacuna come quasi-particella di carica positiva che concetto di lacuna come quasi-particella di carica positiva che descrive gli stati vuoti in una banda altrimenti piena.descrive gli stati vuoti in una banda altrimenti piena.

1931 W. Pauli 1931 W. Pauli scrive a R. scrive a R. Peierls Peierls

"uno non deve lavorare sui semiconduttori, sono un pasticcio, chi sa "uno non deve lavorare sui semiconduttori, sono un pasticcio, chi sa se addirittura esistono i semiconduttori”se addirittura esistono i semiconduttori”

1936 Bell 1936 Bell Telephone Telephone LaboratoriesLaboratories

programma di ricerca per sostituire i commutatori elettromeccanici programma di ricerca per sostituire i commutatori elettromeccanici con quelli a stato solido.con quelli a stato solido.

1939 - 19451939 - 1945 II guerra mondiale: gran parte delle ricerche si spostano su problemi II guerra mondiale: gran parte delle ricerche si spostano su problemi connessi con l’industria bellica…connessi con l’industria bellica…

SCOPERTA DEI SEMICONDUTTORI E PRIME APPLICAZIONISCOPERTA DEI SEMICONDUTTORI E PRIME APPLICAZIONI

LA SCOPERTA DEL TRANSISTOR …LA SCOPERTA DEL TRANSISTOR … 19391939 Shockley: dispositivo amplificatore basato su semiconduttoreShockley: dispositivo amplificatore basato su semiconduttore

19401940 primo fotodiodo basato su di una giunzione p/n in silicioprimo fotodiodo basato su di una giunzione p/n in silicio

19451945 Riparte il progetto sui semiconduttori dei laboratori BellRiparte il progetto sui semiconduttori dei laboratori Bell 1947 1947 Invenzione del Transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )Invenzione del Transistor ( Bardeen, Brattain, Shockley )1948 1948 prima radio a transistorprima radio a transistor1949 1949 Shockley propone il transistor bipolare a giunzioneShockley propone il transistor bipolare a giunzione

Ottobre 1951 Ottobre 1951 Western Electric : primi transistor commerciali (amplificatori per Western Electric : primi transistor commerciali (amplificatori per auricolari per sordi)auricolari per sordi)

1954 1954 Texas Instrument produce la prima radio basata su transistor....è Texas Instrument produce la prima radio basata su transistor....è un disastro commerciale perchè troppo costosa.un disastro commerciale perchè troppo costosa.

1956 1956 Bardeen, Brattain e Shockley ricevono il premio Nobel per la Bardeen, Brattain e Shockley ricevono il premio Nobel per la scoperta del Transistor. scoperta del Transistor.

Il primo transistor …Il primo transistor …

… … ed uno di oggied uno di oggi

PROPRIETA’ FISICHE DELLA MATERIAPROPRIETA’ FISICHE DELLA MATERIAbande di energiabande di energia

Larghezza banda : qualche eV

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.

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 lacuneelettroni 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.

Passando da un materiale ad un altro, può variare di molti ordini di grandezza:

•superconduttori: infinita, per T < Tc (temperatura critica)•metalli: 106 104 (.cm) -1

•semiconduttori: 103 10-6 (.cm) -1 (a temperatura ambiente)•isolanti: 10-10 10-20 (.cm) –1

L’enorme variazione di dipende dalla configurazione elettronica dello stato fondamentale del cristallo.

Proprietà dei semiconduttori.Proprietà dei semiconduttori.

nei semiconduttori dipende fortemente dalla temperatura e dal contenuto di impurezze. nei semiconduttori dipende fortemente dalla temperatura e dal contenuto di impurezze.

Proprietà dei semiconduttori: Proprietà dei semiconduttori: impurezze (donoriimpurezze (donori e accettori) 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. Giunzione p-n.

zona di svuotamento o “depletion layer”

diffusione

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 - nAl campo elettrico che si crea fra le due zone si devono le importanti caratteristiche elettriche della giunzione.

Alcuni metodi per la formazione di una giunzione

Epitassia da fasci molecolari(MBE)

Crescita dal fuso

Polarizzazione della giunzione (I)Polarizzazione della giunzione (I)

Caratteristica I-V per una giunzione p-n (notare la scala per I ) polarizzata in diretta

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

•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)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 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.

Fotodiodi al Si per l’UVe un diodo laser Struttura di una cella solare a

giunzione

struttura del LED struttura di un diodo laser a giunzione

• transistor• dispositivi optoelettronici (emissione e rivelazione della radiazione)• celle solari • dispositivi a microonde

Il transistor bipolare a giunzioneIl transistor bipolare a giunzione

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

Il transistor bipolare a giunzione è il primo dispositivo elettronico attivo affidabile costruito sfruttando le proprietà fisiche dei cristalli semiconduttori

giunzionigiunzioni

Polarizzazione del transistor 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 campoTransistor 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) microprocessorimicroprocessori

L’effetto campo 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?Fine della legge di Moore?““1975 - Il numero di transistor (e 1975 - Il numero di transistor (e quindi la potenza di calcolo) quindi la potenza di calcolo) raddoppia ogni 18 – 24 mesi”raddoppia ogni 18 – 24 mesi”

Le dimensioni dei transistor stanno raggiungendo fondamentali limiti fisici e tecnologici:

LimiteLimite SituazioneSituazione PrevisioniPrevisioni ProblemiProblemi

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~ 2004 - 2005

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…

LINKS UTILI …LINKS UTILI …

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

http://electronics.howstuffworks.com/index.htm

http://britneyspears.ac/lasers.htm

http://informando.infm.itDal silicio al computer

Semtec

http://www.research.ibm.com/thinkresearch/