Ημιαγωγοί και Νανοηλεκτρονική

Transcript

1 Ημιαγωγοί και Νανοηλεκτρονική Ε. Ηλιόπουλος Φ103: Θέματα Σύγχρονης Φυσικής Νοέμβριος 2017

2 Περί Τεχνολογίας Σύντομη ανασκόπηση της εξέλιξης της τεχνολογίας

3 Περί Τεχνολογίας Σύντομη ανασκόπηση της εξέλιξης της τεχνολογίας Μερικές παρατηρήσεις : Η χρήση νέων υλικών και μεθόδων Αγώγιμα Υλικά Μεταλλικά κράματα Άμμος Πλαστικά

4 Περί Τεχνολογίας Σύντομη ανασκόπηση της εξέλιξης της τεχνολογίας Μερικές παρατηρήσεις : Η χρήση νέων υλικών και μεθόδων Silicon Valley : Η κοιλάδα του Πυριτίου. Το πυρίτιο (silicon) είναι ΗΜΙΑΓΩΓΟΣ

5 Τι είναι «ημιαγωγός» Πρώτες ενδείξεις: M. Faraday (1833): «Ανώμαλη» συμπεριφορά της ηλεκτρικής αντίστασης του Ag 2 S με την θερμοκρασία W. Smith (1873): Φωτο-αγωγιμότητα του Se C.F. Braun (1874): «Ανορθωτική» συμπεριφορά επαφών μετάλλου-pbs ή FeS 2 W.G. Adams & R.E. Day (1876): Photovoltage επαφής μετάλλου/se όμως τα φαινόμενα αυτά ήταν αρχικά ακατανόητα μέχρι: ανακάλυψη του ηλεκτρονίου ( J.J. Thompson, 1897) κβαντομηχανική ( ) A.H. Wilson, 1931: Κβαντική θεωρία των ημιαγωγών

6 Τι είναι «ημιαγωγός» Στερεό (Κρύσταλλος) Από τα άτομα στα στερεά (Ενεργειακές ζώνες) Ενέργεια Ενεργειακές Ζώνες & Ενεργειακό Χάσμα άτομο Στερεό σώμα

7 Τι είναι «ημιαγωγός» - Ενεργειακό Χάσμα Ας δούμε τώρα μια περίπτωση ημιαγωγού: Si, δομή [Ne]3s 2 3p 2 4 e /άτομο 2 e / άτομο 2 e / άτομο Ε F Ημιαγωγός 4 e /άτομο Ζώνη Αγωγιμότητας (Άδεια) Ενεργειακό Χάσμα Ζώνη Σθένους (Γεμάτη) p-orbitals s-orbitals Μέταλλο Ε F Ε Προσοχή: Για να κινηθεί ένας φορέας (π.χ. e) πρέπει να αυξήσει την ενέργεια και ορμή του. Μπορεί?

8 Δύο ακόμα βασικές ιδιότητες των ημιαγωγών Μικρή πυκνότητα καταστάσεων στα άκρα των ζωνών Δύο τύποι φορέων: Ηλεκτρόνια και Οπές Αντίστοιχα: Δύο τύποι ημιαγωγών: n-τύπου και p-τύπου Ζώνη Αγωγιμότητας Ζώνη Σθένους Ενεργειακό Χάσμα e - αρνητικά φορτισμένα σωμάτια h + θετικά φορτισμένα σωμάτια Ενέργεια Πυκνότητα Καταστάσεων

9 Δύο ακόμα βασικές ιδιότητες των ημιαγωγών Μικρή πυκνότητα καταστάσεων στα άκρα των ζωνών Δύο τύποι φορέων: Ηλεκτρόνια και Οπές Αντίστοιχα: Δύο τύποι ημιαγωγών: n-τύπου και p-τύπου Μεγάλη σημασία για την λειτουργικότητα διατάξεων I ΔV Δίοδος p-n p n

10 Επαφή p-n : Κάνοντας τους ημιαγωγούς λειτουργικούς

11 Επαφή p-n : Κάνοντας τους ημιαγωγούς λειτουργικούς

12 H δομική μονάδα της σύγχρονης τεχνολογίας : TRANSISTOR Καθημερινές (και μη) εικόνες σύγχρονης Τεχνολογίας και τι κρύβεται από πίσω The IC Transistor (Transfer Resistor)

13 Transistor ή Κρυσταλλοτρίοδος Το transistor είναι ημιαγωγική διάταξη τριών επαφών: (1) Εκπομπός,(2) Βάση,(3) Συλλέκτης ή (1) Πηγή,(2) Πύλη,(3) Αποδέκτης Η σχέση ρεύματος-τάσης μεταξύ (1) και (3) εξαρτάται από το εφαρμοζόμενο δυναμικό στο (2)! Αποδέκτης Πύλη V DS Πηγή

14 Transistor ή Κρυσταλλοτρίοδος Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν αναλογικός ενισχυτής : Ή σαν ηλεκτρονικός διακόπτης ON OFF

15 Από τα transistor στις CPU Οι ηλεκτρονικοί διακόπτες σχηματίζουν λογικές πύλες οι κατάλληλοι συνδυασμοί των οποίων σχηματίζουν CPUs Intel 4004 (1971): 4-bit CPU, 740 khz, feature size 10 μm, Transistor count=2300

16 Αρχή λειτουργίας των transistor Βασίζονται στις δύο βασικές ιδιότητες των ημιαγωγών Bipolar Junction Transistor (BJT) Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)

17 Στοιχεία Ιστορίας Wilson (1931) Σήμερα Νόμος Moore Shockley, Bardeen, Brattain Πρώτο transistor Kilby Πρώτο IC Nobel Prize in Physics in 2000 (1/2) Intel 4004 Πρώτη CPU (2014) 22 nm CMOS node Nobel Prize in Physics in 1958

18 Νόμος Moore και διαστάσεις G. Moore (1965): «Ο αριθμός των transistor στα ολοκληρωμένα κυκλώματα διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια» Σήμερα Σημαντική η συσχέτιση με τις ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ των transistor! 2012: Τεχνολογία 22 nm Σήμερα: Τεχνολογία 14 nm Προς: Τεχνολογία 9 nm ( Για πόσο ακόμα?)

19 Νανόμετρα

20 Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU* Μέρος 1 ο : Δημιουργία ενός δισκίου (wafer) πυριτίου *CPU= Central Processing Unit (Κεντρική μονάδα Επεξεργασίας-ΚΜΕ)

21 Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU Μέρος 2 ο : Φωτολιθογραφία Μέρος 3 ο : Χάραξη

22 Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU Μέρος 4 ο : Εναπόθεση διηλεκτρικού και νέα λιθογραφία Επαναλαμβανόμενες διαδικασιές φωτολιθογραφίας/εναπόθεσης Μέρος 5 ο : Εμφύτευση Ιόντων (Ion implantation) Μέταλλο πύλης Διηλεκτρικό Διηλεκτρικό Πύλης Εμπλουτισμένο στρώμα

23 Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU Μέρος 6 ο : Λιθογραφία και χάραξη διηλεκτρικού για επαφές Μέρος 7 ο : Εναπόθεση μετάλλου (χαλκού) και σχηματισμός επαφών

24 Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU Μέρος 8 ο : Δημιουργία αλληλοσυνδέσεων (interconnects) Διαχωρισμός ψηφίδων (dies)

25 Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU Έλεγχος λειτουργίας και Συσκευασία

26 Ανθολόγιο βραβείων Nobel Φυσικής σχετικά με ημιαγωγούς (>1970)

27 Νανοηλεκτρονική ή Εφαρμοσμένη Κβαντομηχανική Από το άτομα στα στερεά και αντίστροφα

28 Κβαντικά πηγάδια Πραγματοποιούνται σχετικά εύκολα με ετεροδομές (σαντουιτς) ημιαγωγών με διαφορετικά ενεργειακά χάσματα Ενεργειακό χάσμα Ε 2 < Ε 1 Ενεργειακό χάσμα Ε 1

29 Κβαντικά πηγάδια Πραγματοποιούνται σχετικά εύκολα με ετεροδομές (σαντουιτς) ημιαγωγών με διαφορετικά ενεργειακά χάσματα

30 Χρησιμοποιώντας τα κβαντικά πηγάδια Ένα παράδειγμα: Η εξέλιξη των ημιαγωγικών διατάξεων lasers

31 Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας Εφαρμοσμένη Κβαντομηχανική E ΔV φραγμός δυναμικού Ε 0 ΔV x Ας επιταχύνουμε ηλεκτρόνια προς τον φραγμό Τι περιμένουμε να συμβεί Κλασσικά τίποτα (ρεύμα =0) αφού ο φραγμός υψηλότερος από την ενέργεια ηλεκτρονίων Όμως η κβαντομηχανική θεώρηση είναι διαφορετική

32 Εφαρμοσμένη Κβαντομηχανική Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας συντονισμού Leo Esaki (Nobel Prize in Physics 1973) ΔV Ας βάλουμε 2 φραγμούς σε μικρή απόσταση μεταξύ τους! Δομή διπλού φραγμού Κβάντωση επιτρεπτών σταθμών στο σχηματισμένο κβαντικό πηγάδι Και ας εφαρμόσουμε πάλι ηλεκτρικό πεδίο Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού E Διαφορετική συμπεριφορά ανάλογα με Ε0 «Συντονισμός» με κβαντικό επίπεδο πηγαδιού οδηγεί σε πιθανότητα διάδοσης 100 %! x

33 Εφαρμοσμένη Κβαντομηχανική Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας συντονισμού 6 5 (a) Current [ ma ] ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Bias [ V ] Φαινόμενο ΑΡΝΗΤΙΚΗΣ διαφορικής αντίστασης