Elektronika

Elektronika

wyk

wyk

ł

ł

ad 12

ad 12

–

–

NANOTECHNOLOGIA

NANOTECHNOLOGIA

Lublin, stycze

Lublin, stycze

ń

ń

2009

2009

Instytut Elektrotechniki i Informatyki

Instytut Elektrotechniki i Informatyki

Politechnika Lubelska

Politechnika Lubelska

•

•

1 cm

1 cm

3

3

cia

cia

ł

ł

a sta

a sta

ł

ł

ego

ego

–

–

10

10

21

21

-

-

10

10

22

22

•

•

drobina py

drobina py

ł

ł

u (

u (

φ

φ

= 0,1 mm)

= 0,1 mm)

–

–

10

10

16

16

•

•

krystalit (

krystalit (

φ

φ

= 10

= 10

µ

µ

m

m

)

)

–

–

10

10

13

13

•

•

typowych rozmiar

typowych rozmiar

ó

ó

w bakteryjne DNA

w bakteryjne DNA

–

–

10

10

8

8

-

-

10

10

9

9

•

•

typowa samoorganizuj

typowa samoorganizuj

ą

ą

ca si

ca si

ę

ę

kropka kwantowa (z blokad

kropka kwantowa (z blokad

ą

ą

kulombowsk

kulombowsk

ą

ą

)

)

–

–

10

10

6

6

-

-

10

10

8

8

•

•

ma

ma

ł

ł

a jedno

a jedno

ś

ś

cienna nanorurka

cienna nanorurka

–

–

10

10

3

3

-

-

10

10

4

4

•

•

ma

ma

ł

ł

a kropka kwantowa (ze skwantowanymi poziomami

a kropka kwantowa (ze skwantowanymi poziomami

energetycznymi)

energetycznymi)

–

–

10

10

2

2

-

-

10

10

3

3

Ile atom

Ile atom

ó

ó

w?

w?

Technologie wykorzystywane w wielu podstawowych

Technologie wykorzystywane w wielu podstawowych

dziedzinach aktywno

dziedzinach aktywno

ś

ś

ci technicznej cz

ci technicznej cz

ł

ł

owieka w celu:

owieka w celu:

•

•

wytwarzania klasycznych urz

wytwarzania klasycznych urz

ą

ą

dze

dze

ń

ń

o nanometrowych

o nanometrowych

rozmiarach z charakterystycznymi dla nich efektami,

rozmiarach z charakterystycznymi dla nich efektami,

•

•

wytwarzania

wytwarzania

nanomateria

nanomateria

ł

ł

ó

ó

w

w

,

,

•

•

wytwarzania nowych struktur o nieznanych jeszcze cechach,

wytwarzania nowych struktur o nieznanych jeszcze cechach,

•

•

modelowania i badania tych

modelowania i badania tych

ż

ż

e.

e.

Nanotechnologie

Nanotechnologie

(na przyk

(na przyk

ł

ł

adzie elektroniki)

adzie elektroniki)

Oszcz

Oszcz

ę

ę

dno

dno

ść

ść

materia

materia

ł

ł

u, energii,

u, energii,

-

-

> mniejszy jednostkowy koszt dzia

> mniejszy jednostkowy koszt dzia

ł

ł

ania

ania

elementu i jego wytworzenia,

elementu i jego wytworzenia,

Wi

Wi

ę

ę

ksza szybko

ksza szybko

ść

ść

dzia

dzia

ł

ł

ania i zysk,

ania i zysk,

Wi

Wi

ę

ę

ksze upakowanie

ksze upakowanie

-

-

> wi

> wi

ę

ę

kszy potencja

kszy potencja

ł

ł

i wi

i wi

ę

ę

ksza pojemno

ksza pojemno

ść

ść

informacyjna

informacyjna

PONADTO

PONADTO

Struktury w ma

Struktury w ma

ł

ł

ej skali mog

ej skali mog

ą

ą

mie

mie

ć

ć

lepsze w

lepsze w

ł

ł

asno

asno

ś

ś

ci elektryczne, chemiczne,

ci elektryczne, chemiczne,

mechaniczne lub optyczne,

mechaniczne lub optyczne,

Mo

Mo

ż

ż

liwo

liwo

ść

ść

modyfikacji materii na poziomie, na kt

modyfikacji materii na poziomie, na kt

ó

ó

rym definiowane

rym definiowane

s

s

ą

ą

jej makroskopowe w

jej makroskopowe w

ł

ł

asno

asno

ś

ś

ci,

ci,

Mo

Mo

ż

ż

liwo

liwo

ść

ść

manipulowania materi

manipulowania materi

ą

ą

na tym poziomie.

na tym poziomie.

Zalety redukcji rozmiar

Zalety redukcji rozmiar

ó

ó

w

w

Potencjalne obszary

Potencjalne obszary

zastosowa

zastosowa

ń

ń

Nanoelektronika

Nanoelektronika

Dziedzina elektroniki realizowana przez przyrz

Dziedzina elektroniki realizowana przez przyrz

ą

ą

dy o

dy o

wymiarach rz

wymiarach rz

ę

ę

du nanometr

du nanometr

ó

ó

w (< 100

w (< 100

nm

nm

), w kt

), w kt

ó

ó

rych

rych

manifestuj

manifestuj

ą

ą

si

si

ę

ę

zjawiska zwi

zjawiska zwi

ą

ą

zane z kwantow

zane z kwantow

ą

ą

natur

natur

ą

ą

elektron

elektron

ó

ó

w.

S

w.

S

ą

ą

to

zjawiska:

to

zjawiska:

elektrofalowe

elektrofalowe

,

,

jednoelektronowe

jednoelektronowe

i spinowe.

i spinowe.

Nanoelektronika

Nanoelektronika

molekularna

molekularna

Dziedzina

Dziedzina

nanoelektroniki

nanoelektroniki

, w kt

, w kt

ó

ó

rej wykorzystuje si

rej wykorzystuje si

ę

ę

w

w

ł

ł

a

a

ś

ś

ciwo

ciwo

ś

ś

ci elektronowe pojedynczych cz

ci elektronowe pojedynczych cz

ą

ą

stek, a

stek, a

tak

tak

ż

ż

e zale

e zale

ż

ż

no

no

ść

ść

tych w

tych w

ł

ł

a

a

ś

ś

ciwo

ciwo

ś

ś

ci od czynnik

ci od czynnik

ó

ó

w

w

chemicznych, elektromechanicznych lub optycznych.

chemicznych, elektromechanicznych lub optycznych.

Spintronika

Spintronika

tak

tak

ż

ż

e:

e:

elektronika spinowa,

elektronika spinowa,

magnetoelektronika

magnetoelektronika

Dzia

Dzia

ł

ł

elektroniki zajmuj

elektroniki zajmuj

ą

ą

cy si

cy si

ę

ę

modelowaniem,

modelowaniem,

wytwarzaniem i badaniem urz

wytwarzaniem i badaniem urz

ą

ą

dze

dze

ń

ń

wykorzystuj

wykorzystuj

ą

ą

cych

cych

zjawiska fizyczne zwi

zjawiska fizyczne zwi

ą

ą

zane ze spinem elektronu.

zane ze spinem elektronu.

Spin elektronu

Spin elektronu

mo

mo

ż

ż

na traktowa

na traktowa

ć

ć

jako jego w

jako jego w

ł

ł

asny

asny

moment p

moment p

ę

ę

du

du

, a jego

, a jego

po

po

ł

ł

ó

ó

wkowa warto

wkowa warto

ść

ść

oznacza,

oznacza,

ż

ż

e pojedynczy elektron mo

e pojedynczy elektron mo

ż

ż

e znajdowa

e znajdowa

ć

ć

sie w dw

sie w dw

ó

ó

ch r

ch r

ó

ó

ż

ż

nych stanach kwantowych, odpowiadaj

nych stanach kwantowych, odpowiadaj

ą

ą

cych dw

cych dw

ó

ó

m

m

ro

ro

ż

ż

nym rzutom spinu.

nym rzutom spinu.

Mo

Mo

ż

ż

liwo

liwo

ś

ś

ci przetwarzania informacji

ci przetwarzania informacji

M

o

ż

li

w

o

śc

i

p

rz

et

w

a

rz

a

n

ia

i

p

rz

es

y

ła

n

ia

i

n

fo

rm

a

cj

i

Lata

LAMPY

LAMPY

?

TRANZYSTORY

TRANZYSTORY

MIKROELEKTRONIKA

MIKROELEKTRONIKA

LASERY

LASERY

NANO

NANO

-

-

ELEKTRONIKA

ELEKTRONIKA

NANO

NANO

-

-

FOTONIKA

FOTONIKA

Przyczyny nasycenia si

Przyczyny nasycenia si

ę

ę

krzywej

krzywej

„

„

logistycznej

logistycznej

”

”

Brak wiedzy

Brak wiedzy

Ograniczenia techniczne

Ograniczenia techniczne

Ograniczenia ekonomiczne

Ograniczenia ekonomiczne

Zmiana zainteresowa

Zmiana zainteresowa

ń

ń

1970 1980 1990

2000 2010

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

10

1

0

4004

8086

80386

PentiumPro

Pentium 4

Itanium 2

Montecito

Prawo Moore’a

L

ic

z

b

a

tr

a

n

z

y

s

to

ró

w

n

a

c

h

ip

ie

nano-CMOS wchodzi do

produkcji

Wymiar
charakterystyczny

Nanotechnologi
a

100
0

100

Wymiar
bramki

10

m

ik

ro

m

et

ry

n

a

n

o

n

o

m

et

ry

10

1

0.1

0.01

1970

1980

1990

2000

2010

2020

130nm

100nm

70nm

50nm

Silnie napr

ęż

ona warstwa

ś

ciskani

e

rozci

ą

gani

e

wzrost

wzrost

T.Ghani i in. Proc.IEDM Dec. 2003

Technologia

90 nm

zastosowana w masowej
produkcji mikroprocesorów
INTELA

L

g

= 45 nm

t

ox

= 1.2 nm

Napr

ęż

ony kanał Si

Ź

ródło:

Nanoelektronika

Nanoelektronika

CMOS 2018

CMOS 2018

•

•

koszt

koszt

< 10

< 10

-

-

11

11

$ / bramka

$ / bramka

•

•

rozmiar

rozmiar

< 8

< 8

nm

nm

/ przyrz

/ przyrz

ą

ą

d

d

•

•

szybko

szybko

ść

ść

< 0.2

< 0.2

ps

ps

/ operacj

/ operacj

ę

ę

•

•

energia

energia

< 10

< 10

-

-

18

18

J / operacj

J / operacj

ę

ę

Micro

Micro

-

-

nano

nano

-

-

Na dzi

Na dzi

ś

ś

mamy wi

mamy wi

ę

ę

c dwa nowe paradygmaty:

c dwa nowe paradygmaty:

„

„

W

W

mikrotechnologii

mikrotechnologii

wyzwaniem jest budowanie rzeczy coraz

wyzwaniem jest budowanie rzeczy coraz

mniejszych

mniejszych

, w

, w

nanotechnologii

nanotechnologii

za

za

ś

ś

-

-

coraz

coraz

wi

wi

ę

ę

kszych

kszych

.

.

”

”

--

--

Eric

Eric

Drexler

Drexler

Mikrotechnologia

Mikrotechnologia

Nanotechnologia

Nanotechnologia

Je

Je

ż

ż

eli tak, to regu

eli tak, to regu

ł

ł

y skalowania dla mikro

y skalowania dla mikro

ś

ś

wiata

wiata

nie maj

nie maj

ą

ą

zastosowania w

zastosowania w

nano

nano

ś

ś

wiecie

wiecie

.

.

Richard Feynman (1918

Richard Feynman (1918

-

-

1988)

1988)

•

•

praca przy projekcie Manhattan,

praca przy projekcie Manhattan,

•

•

najpe

najpe

ł

ł

niejsza wersja elektrodynamiki kwantowej

niejsza wersja elektrodynamiki kwantowej

(

(

Nobel 1965

Nobel 1965

),

),

•

•

teoria nadciek

teoria nadciek

ł

ł

o

o

ś

ś

ci,

ci,

•

•

ilo

ilo

ś

ś

ciowe uj

ciowe uj

ę

ę

cie teorii oddzia

cie teorii oddzia

ł

ł

ywa

ywa

ń

ń

s

s

ł

ł

abych,

abych,

•

•

teoria

teoria

parton

parton

ó

ó

w

w

(g

(g

ł

ł

ó

ó

wny wk

wny wk

ł

ł

ad do teorii

ad do teorii

oddzia

oddzia

ł

ł

ywa

ywa

ń

ń

silnych),

silnych),

•

•

podwaliny pod rozw

podwaliny pod rozw

ó

ó

j kwantowej teorii grawita

j kwantowej teorii grawita

cji.

cji.

Troch

Troch

ę

ę

historii...

historii...

1959

1959

–

–

wizja Feynmana

wizja Feynmana

What I want to talk about is the problem of

What I want to talk about is the problem of

manipulating and controlling things on a small

manipulating and controlling things on a small

scale. (

scale. (

…

…

) It is a staggeringly small world that is

) It is a staggeringly small world that is

below. In the year 2000, when they look back at

below. In the year 2000, when they look back at

this age, they will wonder why it is not until the

this age, they will wonder why it is not until the

year 1960 that anybody began seriously to move

year 1960 that anybody began seriously to move

in this direction.

in this direction.

Richard Feynman (1918

Richard Feynman (1918

-

-

1988)

1988)

There's Plenty of Room at the Bottom

There's Plenty of Room at the Bottom

Annual Meeting of the American Physical Society, California Inst

Annual Meeting of the American Physical Society, California Inst

itute

itute

of Technology, Pasadena, December 29, 1959

of Technology, Pasadena, December 29, 1959

http://

http://

www.zyvex.com

www.zyvex.com

/

/

nanotech

nanotech

/

/

feynman.html

feynman.html

Nagrody Feynmana

Nagrody Feynmana

Za wykonanie silnika mieszcz

Za wykonanie silnika mieszcz

ą

ą

cego si

cego si

ę

ę

w sze

w sze

ś

ś

cianie o boku

cianie o boku

nie wi

nie wi

ę

ę

kszym ni

kszym ni

ż

ż

1/64 cala

1/64 cala

–

–

w 1960r William H.

w 1960r William H.

McLellan

McLellan

zbudowa

zbudowa

ł

ł

silnik, kt

silnik, kt

ó

ó

ry wa

ry wa

ż

ż

y

y

ł

ł

250

250

µ

µ

g

g

i mia

i mia

ł

ł

moc 1

moc 1

mW

mW

Za zmniejszenie strony z ksi

Za zmniejszenie strony z ksi

ąż

ąż

ki do rozmiaru w skali 1/25000

ki do rozmiaru w skali 1/25000

-

-

w 1985r na Uniwersytecie Stanford Thomas Newman

w 1985r na Uniwersytecie Stanford Thomas Newman

odtworzy

odtworzy

ł

ł

pierwszy akapit

pierwszy akapit

Opowie

Opowie

ś

ś

ci o dw

ci o dw

ó

ó

ch miastach

ch miastach

Karola Dickensa

Karola Dickensa

Fabryki na poziomie atomowym

Fabryki na poziomie atomowym

K. Eric

K. Eric

Drexler

Drexler

Doktorat:
Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology.

Nanotechnologia

Nanotechnologia

to manipulowanie

to manipulowanie

atomami i cz

atomami i cz

ą

ą

steczkami w "

steczkami w "

nanoskali

nanoskali

"

"

www.e

www.e

-

-

drexler.com

drexler.com

Maszyna jedzeniowa

Maszyna jedzeniowa

Drexlera

Drexlera

trawa

trawa

powietrze

powietrze

woda

woda

ś

ś

wiat

wiat

ł

ł

o s

o s

ł

ł

oneczne

oneczne

+

+

=

=

Maszyna jedzeniowa

Maszyna jedzeniowa

Drexlera

Drexlera

trawa

trawa

li

li

ś

ś

cie

cie

opona rowerowa

opona rowerowa

...

...

+

+

=

=

http://

http://

www.youtube.com

www.youtube.com

/watch?v=vEYN18d7gHg

/watch?v=vEYN18d7gHg

Modelowanie

Modelowanie

nanomaszyn

nanomaszyn

MarkIII(k

MarkIII(k

)

)

Planetary

Planetary

Gear

Gear

Liczba komponent

Liczba komponent

ó

ó

w: 12

w: 12

Liczba atom

Liczba atom

ó

ó

w: 3853

w: 3853

Wielko

Wielko

ść

ść

: 4,2 x 4,2 x 4,2

: 4,2 x 4,2 x 4,2

nm

nm

www.nanoengineer-1.com

SRG

SRG

-

-

I

I

Speed

Speed

Reducer

Reducer

Gear

Gear

Liczba komponent

Liczba komponent

ó

ó

w: 4

w: 4

Liczba atom

Liczba atom

ó

ó

w: 2924

w: 2924

Wielko

Wielko

ść

ść

: 4,7 x 2,8 x 3,6

: 4,7 x 2,8 x 3,6

nm

nm

Universal Joint

Universal Joint

Liczba komponent

Liczba komponent

ó

ó

w: 4

w: 4

Liczba atom

Liczba atom

ó

ó

w: 3846

w: 3846

Wielko

Wielko

ść

ść

: 3,8 x 3,8 x 6,4

: 3,8 x 3,8 x 6,4

nm

nm

1981

1981

–

–

skaningowy mikroskop tunelowy

skaningowy mikroskop tunelowy

-

-

Gerd

Gerd

Binnig

Binnig

i Heinrich

i Heinrich

Rohrer

Rohrer

(Nobel 1986) konstruuj

(Nobel 1986) konstruuj

ą

ą

skaningowy mikroskop tunelowy (STM)

skaningowy mikroskop tunelowy (STM)

Skaningowy mikroskop tunelowy

Skaningowy mikroskop tunelowy

STM od ang.

STM od ang.

Scanning

Scanning

Tunneling

Tunneling

Microscope

Microscope

Mikroskopu ze skanuj

Mikroskopu ze skanuj

ą

ą

c

c

ą

ą

sond

sond

ą

ą

, kt

, kt

ó

ó

ry umo

ry umo

ż

ż

liwia uzyskanie

liwia uzyskanie

obrazu powierzchni materia

obrazu powierzchni materia

ł

ł

ó

ó

w przewodz

w przewodz

ą

ą

cych ze zdolno

cych ze zdolno

ś

ś

ci

ci

ą

ą

rozdzielcz

rozdzielcz

ą

ą

rz

rz

ę

ę

dy pojedynczych atom

dy pojedynczych atom

ó

ó

w dzi

w dzi

ę

ę

ki wykorzystaniu

ki wykorzystaniu

zjawiska tunelowego.

zjawiska tunelowego.

Wynalazek skaningowego

Wynalazek skaningowego

mikroskopu tunelowego

mikroskopu tunelowego

(STM), za kt

(STM), za kt

ó

ó

ry Gerd

ry Gerd

Binning

Binning

i Heinrich

i Heinrich

R

R

ö

ö

hrer

hrer

dostali

dostali

Nagrod

Nagrod

ę

ę

Nobla w dziedzinie

Nobla w dziedzinie

fizyki w 1986 roku

fizyki w 1986 roku

Skaningowy mikroskop tunelowy

Skaningowy mikroskop tunelowy

1985

1985

–

–

odkrycie

odkrycie

fulleren

fulleren

ó

ó

w

w

-

-

1985

1985

–

–

R.F.

R.F.

Curl

Curl

Jr

Jr

., H.R. Kroto i R.E.

., H.R. Kroto i R.E.

Smalley

Smalley

odkrywaj

odkrywaj

ą

ą

fullereny

fullereny

(Nobel w 1996r)

(Nobel w 1996r)

diament

grafit

fulleren

nanorurka

-

-

1991

1991

–

–

Sumio

Sumio

Ijima

Ijima

(NEC) odkrywa nanorurki w

(NEC) odkrywa nanorurki w

ę

ę

glowe

glowe

Nanorurki w

Nanorurki w

ę

ę

glowe

glowe

Nanorurki w

Nanorurki w

ę

ę

glowe

glowe

1998

1998

–

–

pierwszy tranzystor z nanorurk

pierwszy tranzystor z nanorurk

ą

ą

-

-

Cees

Cees

Dekker

Dekker

et al.

et al.

(Politechnika Delft) tworz

(Politechnika Delft) tworz

ą

ą

tranzystor

tranzystor

wykorzystuj

wykorzystuj

ą

ą

cy nanorurk

cy nanorurk

ę

ę

w

w

ę

ę

glow

glow

ą

ą

1989

1989

–

–

napis wykonany z pojedynczych

napis wykonany z pojedynczych

atom

atom

ó

ó

w (IBM)

w (IBM)

1989

1989

–

–

D.M.

D.M.

Eigler

Eigler

(IBM) uk

(IBM) uk

ł

ł

ada z pojedynczych atom

ada z pojedynczych atom

ó

ó

w

w

Xe

Xe

napis

napis

„

„

IBM

IBM

”

”

Inne napisy atomami

Inne napisy atomami

Quantum Coral

56 iron atoms forming a ring on copper surface

Carbon Monoxide Man

CO on Platininum Surface

Wave-like nature of an electron!

podło

ż

e p-Si

ź

ródło

dren

tlenek polowy

x

j

L

W

kontakt do

ź

ródła

bramka

kontakt do drenu

t

o

x

n

+

n

+

S

×

×

×

×

(L, W, t

ox

, x

j

)

S

××××

(U

T

, U

G

, U

D

)

S

2

××××

(UI)

S

3

××××

(CU

2

)

S = 0.2

S

U

G

U

D

U

S

U

B

podło

ż

e p-Si

ź

ródło

dren

n

+

n

+

Skalowanie

Skalowanie

Skalowanie

Skalowanie



Zachowanie podobnych warto

ś

ci pól elektrycznych w kolejnych

generacjach przyrz

ą

dów,



Minimalizacja tzw. efektów „krótkiego kanału” (zale

ż

no

ść

U

T

od

U

DS

, spłaszczenie ch-k I-V w zakresie podprogowym itd.)





Redukcja wymiarów pionowych struktur (np. t

i

, x

j

)



N

D

, N

A



, U

DD



Problemy z redukcj

Problemy z redukcj

ą

ą

wymiar

wymiar

ó

ó

w

w



Klasyczne, wynikaj

ą

ce z reguł skalowania (przyrz

ą

dowe,

materiałowe, układowe, systemowe – dotycz

ą

w głównej mierze

przyrz

ą

dów elektronicznych);



Fundamentalne

- manifestacja zjawisk i oddziaływa

ń

nie obserwowanych

w wi

ę

kszych skalach),

- efekty kwantowe (ziarnisto

ść

materii, termodynamika),

- efekty mezoskopowe.

Klasyczne problemy z redukcj

Klasyczne problemy z redukcj

ą

ą

wymiar

wymiar

ó

ó

w (tranzystor MOS)

w (tranzystor MOS)





Redukcja grubo

Redukcja grubo

ś

ś

ci dielektryka,

ci dielektryka,





Zubo

Zubo

ż

ż

enie bramki,

enie bramki,





Rezystancja szeregowa,

Rezystancja szeregowa,





Efekty silnego domieszkowania,

Efekty silnego domieszkowania,





Obni

Obni

ż

ż

anie napi

anie napi

ę

ę

cia zasilania.

cia zasilania.

Problemy skalowania tranzystora MOS

Problemy skalowania tranzystora MOS

Up

Up

ł

ł

ywno

ywno

ść

ść

(pr

(pr

ą

ą

d

d

w stanie wy

w stanie wy

ł

ą

ł

ą

czenia I

czenia I

OFF

OFF

):

):

* pr

* pr

ą

ą

d drenu

d drenu

* pr

* pr

ą

ą

d bramki

d bramki

Niewsp

Niewsp

ó

ó

ł

ł

mierny do skalowania wzrost pr

mierny do skalowania wzrost pr

ą

ą

du

du

I

I

Dsat

Dsat

:

:

* ma

* ma

ł

ł

e ruchliwo

e ruchliwo

ś

ś

ci no

ci no

ś

ś

nik

nik

ó

ó

w

w

* rezystancje szeregowe

* rezystancje szeregowe

Rozrzut warto

Rozrzut warto

ś

ś

ci V

ci V

T

T

Niewsp

Niewsp

ó

ó

ł

ł

mierny do skalowania wzrost szybko

mierny do skalowania wzrost szybko

ś

ś

ci:

ci:

* pojemno

* pojemno

ś

ś

ci paso

ci paso

ż

ż

ytnicze

ytnicze

* rezystancje paso

* rezystancje paso

ż

ż

ytnicze

ytnicze

* parametry transportu no

* parametry transportu no

ś

ś

nik

nik

ó

ó

w

w

Pentium 4:

55

⋅

10

6

tranzystorów

x

char

130 nm

długo

ść

poł

ą

cze

ń

ok. 4,8 km na 1 cm

2

dla x

char

90 nm

długo

ść

poł

ą

cze

ń

ok. 6,9 km na 1 cm

2

ρ

- problem

C paso

ż

ytnicze - problem

Problemy skalowania tranzystora MOS

Problemy skalowania tranzystora MOS

Nowe przyrz

Nowe przyrz

ą

ą

dy

dy

Generacja

Bramka
L

G

µ

m

Ewolucja CMOS

Rewolucja

CMOS

egzotyka

Rozsądnie

podobne

nanorurki
nanodruty

nowe

przyrządy

T - Elektroda bramki

Źródło

Dren

n

+

GaN

n AlGaN

i GaN

SiC

Specjalna elektroda bramki w
kształcie T obniża rezystancję
doprowadzeń.

Transkonduktancja 500mS/mm,
częstotliwość odcięcia f

T

67GHz,

maksymalna częstotliwosć
generacji f

max

126GHz

(f-my Oki Electric Industry Co)

Tranzystor z bramk

Tranzystor z bramk

ą

ą

typu T

typu T

ź

ródło

dren

B

ra

m

k

a

p

o

li-

S

i

SiO

2

boczny

dystansownik

tlenek

bramkowy

krzemek

podło

ż

e

SiGe

napr

ęż

ony Si

Tranzystor MOS SOI

Tranzystor MOS SOI

z kana

z kana

ł

ł

em z napr

em z napr

ęż

ęż

onego krzemu

onego krzemu

Idealny tranzystor MOS

Idealny tranzystor MOS

Metal

Źródło

Dren

Izolator bramki

Niska rezystancja dren-źródło

Dielektryk o wysokiej
przenikalności

Otaczająca elektroda
metalowa

W pełni otoczony, zubożony
półprzewodnik

Inżynieria pasm

Tranzystor

Tranzystor

tr

tr

ó

ó

jbramkowy

jbramkowy

Boczna bramka

Boczna bramka

Górna bramka

61stDevice Research Conference, Salt Lake City,
Utah,June 2004

Tranzystor

Tranzystor

tr

tr

ó

ó

jbramkowy

jbramkowy

Najbardziej fundamentalne ograniczenia

Najbardziej fundamentalne ograniczenia

φφφφ

φφφφ

protonu

protonu

≈≈≈≈

≈≈≈≈

10

10

-

-

15

15

m

m

φφφφ

φφφφ

atomu

atomu

≈≈≈≈

≈≈≈≈

10

10

-

-

10

10

m

m

1) Minimalna odległo

ść

dwóch rozró

ż

nialnych stanów

(Heisenberg)

2) Minimalny czas przeł

ą

czania stanów (Heisenberg)

3) Maksymalna g

ę

sto

ść

elementów

)

300

(

5

.

1

2

ln

2

min

K

nm

mkT

a

x

====

====

====

h

)

300

(

10

2

.

1

2

ln

2

13

K

s

kT

t

st

−−−−

××××

====

====

h

2

13

2

min

10

6

.

4

1

cm

gate

x

n

××××

====

====

śródło:J.Hutchby i in. VLSI Technology,Hononulu, June 2004

Ograniczenia kwantowe

Ograniczenia kwantowe

Ca

Ca

ł

ł

kowite zu

kowite zu

ż

ż

ycie mocy

ycie mocy

przy minimalnej energii bitu

przy minimalnej energii bitu

Uk

Uk

ł

ł

ad

ad

wyparowa

wyparowa

ł

ł

by

by

po

po

w

w

ł

ą

ł

ą

czeniu

czeniu

!

!

A. Jakubowski, L. Łukasiak, Z. Pióro, KST’2004

bit

chip

sc

sc

b

bit

nP

P

kT

t

kT

t

E

P

====

====

====

====

2

)

2

ln

(

2

2

ln

h

K

T

cm

W

P

chip

300

10

74

.

4

2

6

====

××××

====

Ograniczenia fundamentalne

Ograniczenia fundamentalne

rozwa

rozwa

ż

ż

my

my

3.2 GHz

3.2 GHz

procesor

procesor

•

•

w

w

1 cy

1 cy

klu

klu

s

s

y

y

gna

gna

ł

ł

mo

mo

ż

ż

e przeby

e przeby

ć

ć

drog

drog

ę

ę

:

:

•

•

c

c

/(3.2 GHz) = 9.4 cm

/(3.2 GHz) = 9.4 cm

•

•

w

w

1

1

-

-

cy

cy

k

k

l

l

u sygna

u sygna

ł

ł

odbywa podr

odbywa podr

ó

ó

ż

ż

do pami

do pami

ę

ę

ci

ci

podr

podr

ę

ę

cznej(cache

cznej(cache

)

)

i z powrotem

i z powrotem

:

:

•

•

Lokalizacja pami

Lokalizacja pami

ę

ę

ci powinna by

ci powinna by

ć

ć

bli

bli

ż

ż

sza ni

sza ni

ż

ż

4.7 cm!

4.7 cm!

•

•

w typowych materia

w typowych materia

ł

ł

ach sygna

ach sygna

ł

ł

y elektryczne

y elektryczne

„

„

podr

podr

ó

ó

ż

ż

uj

uj

ą

ą

”

”

z pr

z pr

ę

ę

dko

dko

ś

ś

ci

ci

ą

ą

mniejsz

mniejsz

ą

ą

od

od

~0.5

~0.5

c

c

•

•

W praktyce pami

W praktyce pami

ęć

ęć

powinna by

powinna by

ć

ć

nie dalej ni

nie dalej ni

ż

ż

2.34 cm!

2.34 cm!

c=2.9979 x 10

c=2.9979 x 10

8

8

m/sekund

m/sekund

ę

ę

••••

Ograniczenia fundamentalne

Ograniczenia fundamentalne

Aktualnie laboratoryjne uk

Aktualnie laboratoryjne uk

ł

ł

ady logiczne pracuj

ady logiczne pracuj

ą

ą

przy

przy

szybko

szybko

ś

ś

ciach wi

ciach wi

ę

ę

kszych od 100GHz

kszych od 100GHz

!

!

•

•

Przyjmuj

Przyjmuj

ą

ą

c

c

f=150GHz

f=150GHz

i powtarzaj

i powtarzaj

ą

ą

c poprzednie

c poprzednie

rozumowanie otrzymujemy odleg

rozumowanie otrzymujemy odleg

ł

ł

o

o

ść

ść

od pami

od pami

ę

ę

ci nie

ci nie

wi

wi

ę

ę

ksz

ksz

ą

ą

od

od

~0

~0

.5 mm!

.5 mm!

•

•

S

S

ą

ą

to rozmiary znacznie mniejsze od rozmiaru

to rozmiary znacznie mniejsze od rozmiaru

chipu

chipu

!

!

Wniosek:

Wniosek:

gdy

gdy

f

f

↑↑↑↑

↑↑↑↑

,

,

archite

archite

k

k

tur

tur

y uk

y uk

ł

ł

ad

ad

ó

ó

w (mikroprocesor

w (mikroprocesor

ó

ó

w) musz

w) musz

ą

ą

mie

mie

ć

ć

charakter coraz bardziej lokalny

charakter coraz bardziej lokalny

śródło:-V. De and S. Borkar, 1999 ISLPED, pp. 163-168, August 1999

C

a

łk

o

w

it

a

m

o

c

(W

a

ty

)

Moc w stanie wyłączenia

Moc w stanie aktywnym

Moc wynikaj

Moc wynikaj

ą

ą

ca z up

ca z up

ł

ł

ywno

ywno

ś

ś

ci stanowi coraz wi

ci stanowi coraz wi

ę

ę

kszy

kszy

procent ca

procent ca

ł

ł

kowitej mocy uk

kowitej mocy uk

ł

ł

adu

adu

Moc wynikaj

Moc wynikaj

ą

ą

ca z up

ca z up

ł

ł

ywno

ywno

ś

ś

ci

ci

Prognoza

Prognoza

ITRS

ITRS

przewiduje

przewiduje

93 W/cm

93 W/cm

2

2

dla

dla

mikroprocesor

mikroprocesor

ó

ó

w

w

w

w

roku

roku

2016

2016

Kilkaset W/cm

2

jest bliskie fizycznym ograniczeniom

odprowadzania ciepła dwu-wymiarowych struktur na ciele

stałym przy T

max

= 125°C

Szacunki teoretyczne ok.1000W/cm

Szacunki teoretyczne ok.1000W/cm

2

2

;

;

eksperyment ok.790W/cm

eksperyment ok.790W/cm

2

2

Jak

Jak

ą

ą

moc mog

moc mog

ą

ą

wytrzyma

wytrzyma

ć

ć

systemy p

systemy p

ó

ó

ł

ł

przewodnikowe?

przewodnikowe?

ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)

G

ę

sto

ść

mocy zbyt du

ż

a, aby utrzyma

ć

nisk

ą

temperatur

ę

zł

ą

cz

dysza

rakiety

reaktor

j

ą

drowy

Rok

G

ę

s

to

ś

ć

m

o

c

y

[

W

/c

m

2

]

płyta

grzejna

G

G

ę

ę

sto

sto

ść

ść

mocy b

mocy b

ę

ę

dzie wzrasta

dzie wzrasta

ć

ć

!!!

!!!

Skalowanie do rozmiarów molekularnych mo

ż

e nie zaowocowa

ć

popraw

ą

parametrów u

ż

ytkowych

musimy pój

ść

na kompromis mi

ę

dzy szybko

ś

ci

ą

a g

ę

sto

ś

ci

ą

upakowania

Optymalne rozmiary (zale

ż

ne od kompromisu szybko

ść

/g

ę

sto

ść

)

przeł

ą

czników elektronicznych b

ę

d

ą

si

ę

prawdopodobnie zawiera

ć

mi

ę

dzy 5 a 50 nm, a to jest osi

ą

galne w technologii krzemowej

Prognoza ITRS do 2018 r. wydaje si

ę

by

ć

realizowalna w ramach

technologii MOS

Implikacje dla

Implikacje dla

nanoelektroniki

nanoelektroniki

Liczba atom

Liczba atom

ó

ó

w domieszki

w domieszki

w obszarze zubo

w obszarze zubo

ż

ż

enia tranzystora MOS

enia tranzystora MOS

n

n

b

b

= N

= N

B

B

[cm

[cm

-

-

3

3

]

]

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

W

W

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

L

L

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

X

X

d

d

WCZORAJ

WCZORAJ

n

n

b

b

= 10

= 10

16

16

cm

cm

-

-

3

3

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

10

10

µµµµ

µµµµ

m

m

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

10

10

µµµµ

µµµµ

m

m

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

0,3

0,3

µµµµ

µµµµ

m

m

≈≈≈≈

≈≈≈≈

3

3

××××

××××

10

10

5

5

atom

atom

ó

ó

w

w

DZISIAJ

DZISIAJ

n

n

b

b

= 10

= 10

1

1

8

8

cm

cm

-

-

3

3

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

0,

0,

2

2

µµµµ

µµµµ

m

m

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

0,

0,

05

05

µµµµ

µµµµ

m

m

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

0,

0,

03

03

µµµµ

µµµµ

m

m

≈≈≈≈

≈≈≈≈

300

300

atom

atom

ó

ó

w

w

JUTRO

JUTRO

(SOI)

(SOI)

n

n

b

b

= 10

= 10

1

1

9

9

cm

cm

-

-

3

3

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

0,0

0,0

1

1

µµµµ

µµµµ

m

m

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

0,0

0,0

1

1

µµµµ

µµµµ

m

m

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

0,0

0,0

02

02

µµµµ

µµµµ

m

m

≈≈≈≈

≈≈≈≈

2

2

atom

atom

y

y

!!

!!

Wpływ nanotechnologii na nasze

ż

ycie b

ę

dzie znacznie wi

ę

kszy ni

ż

ten, który wywarła na nie technologia krzemowych układów
scalonych,

Dotyczył b

ę

dzie on wszystkich aspektów naszej rzeczywisto

ś

ci i

spowoduje now

ą

rewolucj

ę

przemysłow

ą

,

Stanie si

ę

tak, poniewa

ż

nanotechnologia oferuje mo

ż

liwo

ść

manipulowania wła

ś

ciwo

ś

ciami materii na poziomie na którym

definiowane s

ą

jej rzeczywiste elektroniczne, chemiczne i

biologiczne wła

ś

ciwo

ś

ci,

Strona etyczna tego wszystkiego nie mo

ż

e by

ć

pomijana.

M. Bugajski, ELTE’2004

Nanotechnologie

Nanotechnologie