background image

2011-01-17

1

Podstawy elektroniki

Podstawy elektroniki

i energoelektroniki

i energoelektroniki

Wykład 12

Wykład 12

Nanotechnologie

Nanotechnologie

dr in

Ŝ

. Andrzej Kociubi

ń

ski

dr in

Ŝ

. Andrzej Kociubi

ń

ski

stycze

ń

 2011

stycze

ń

 2011

• 1 cm

• 1 cm

3

3

ciała stałego 

ciała stałego –

– 10

10

21

21

--10

10

22

22

• drobina pyłu (

φ

= 0,1 mm) 

• drobina pyłu (

φ

= 0,1 mm) –

– 10

10

16

16

• krystalit (

φ

= 10 

µ

m) 

• krystalit (

φ

= 10 

µ

m) –

– 10

10

13

13

• typowych rozmiarów bakteryjne DNA 

• typowych rozmiarów bakteryjne DNA –

–10

10

8

8

--10

10

9

9

• typowa samoorganizuj

ą

ca si

ę

 kropka kwantowa (z blokad

ą

 

• typowa samoorganizuj

ą

ca si

ę

 kropka kwantowa (z blokad

ą

 

kulombowsk

ą

kulombowsk

ą

) –

– 10

10

6

6

--10

10

8

8

• mała jedno

ś

cienna nanorurka 

• mała jedno

ś

cienna nanorurka –

– 10

10

3

3

--10

10

4

4

• mała kropka kwantowa (ze skwantowanymi poziomami 

• mała kropka kwantowa (ze skwantowanymi poziomami 

energetycznymi) 

energetycznymi) –

– 10

10

2

2

--10

10

3

3

Ile atomów?

Ile atomów?

Technologie wykorzystywane w wielu podstawowych

Technologie wykorzystywane w wielu podstawowych
dziedzinach aktywno

ś

ci technicznej człowieka w celu:

dziedzinach aktywno

ś

ci technicznej człowieka w celu:

• wytwarzania klasycznych urz

ą

dze

ń

 o nanometrowych 

• wytwarzania klasycznych urz

ą

dze

ń

 o nanometrowych 

rozmiarach z charakterystycznymi dla nich efektami,

rozmiarach z charakterystycznymi dla nich efektami,

• wytwarzania nanomateriałów,

• wytwarzania nanomateriałów,

• wytwarzania nowych struktur o nieznanych jeszcze cechach,

• wytwarzania nowych struktur o nieznanych jeszcze cechach,

• modelowania i badania tych

Ŝ

e.

• modelowania i badania tych

Ŝ

e.

Nanotechnologie

Nanotechnologie

(na przykładzie elektroniki)

(na przykładzie elektroniki)

Oszcz

ę

dno

ść

 materiału, energii, 

Oszcz

ę

dno

ść

 materiału, energii, --> mniejszy jednostkowy koszt działania 

> mniejszy jednostkowy koszt działania 

elementu i jego wytworzenia,

elementu i jego wytworzenia,

Wi

ę

ksza szybko

ść

 działania i zysk,

Wi

ę

ksza szybko

ść

 działania i zysk,

Wi

ę

ksze upakowanie 

Wi

ę

ksze upakowanie --> wi

ę

kszy potencjał i wi

ę

ksza pojemno

ść

 

> wi

ę

kszy potencjał i wi

ę

ksza pojemno

ść

 

informacyjna

informacyjna

PONADTO

PONADTO

Struktury w małej skali mog

ą

 mie

ć

 lepsze własno

ś

ci elektryczne, chemiczne, 

Struktury w małej skali mog

ą

 mie

ć

 lepsze własno

ś

ci elektryczne, chemiczne, 

mechaniczne lub optyczne,

mechaniczne lub optyczne,

Mo

Ŝ

liwo

ść

 modyfikacji materii na poziomie, na którym definiowane

Mo

Ŝ

liwo

ść

 modyfikacji materii na poziomie, na którym definiowane

s

ą

 jej makroskopowe własno

ś

ci,

s

ą

 jej makroskopowe własno

ś

ci,

Mo

Ŝ

liwo

ść

 manipulowania materi

ą

 na tym poziomie.

Mo

Ŝ

liwo

ść

 manipulowania materi

ą

 na tym poziomie.

Zalety redukcji rozmiarów

Zalety redukcji rozmiarów

Potencjalne obszary zastosowa

ń

Potencjalne obszary zastosowa

ń

Nanoelektronika

Nanoelektronika

Dziedzina

Dziedzina elektroniki

elektroniki realizowana

realizowana przez

przez przyrz

ą

dy

przyrz

ą

dy o

o

wymiarach

wymiarach rz

ę

du

rz

ę

du nanometrów

nanometrów (<

(< 100

100 nm),

nm), w

w których

których

manifestuj

ą

manifestuj

ą

si

ę

si

ę

zjawiska

zjawiska zwi

ą

zane

zwi

ą

zane z

z kwantow

ą

kwantow

ą

natur

ą

natur

ą

elektronów

elektronów..

S

ą

S

ą

to

to

zjawiska

zjawiska::

elektrofalowe,

elektrofalowe,

jednoelektronowe

jednoelektronowe ii spinowe

spinowe..

background image

2011-01-17

2

Nanoelektronika molekularna

Nanoelektronika molekularna

Dziedzina

Dziedzina nanoelektroniki,

nanoelektroniki, w

w której

której wykorzystuje

wykorzystuje si

ę

si

ę

wła

ś

ciwo

ś

ci

wła

ś

ciwo

ś

ci elektronowe

elektronowe pojedynczych

pojedynczych cz

ą

stek,

cz

ą

stek, a

a

tak

Ŝ

e

tak

Ŝ

e zale

Ŝ

no

ść

zale

Ŝ

no

ść

tych

tych wła

ś

ciwo

ś

ci

wła

ś

ciwo

ś

ci od

od czynników

czynników

chemicznych,

chemicznych, elektromechanicznych

elektromechanicznych lub

lub optycznych

optycznych..

Spintronika

Spintronika

tak

Ŝ

e:

tak

Ŝ

e:

elektronika spinowa, magnetoelektronika

elektronika spinowa, magnetoelektronika

Dział

Dział

elektroniki

elektroniki

zajmuj

ą

cy

zajmuj

ą

cy

si

ę

si

ę

modelowaniem,

modelowaniem,

wytwarzaniem

wytwarzaniem ii badaniem

badaniem urz

ą

dze

ń

urz

ą

dze

ń

wykorzystuj

ą

cych

wykorzystuj

ą

cych

zjawiska

zjawiska fizyczne

fizyczne zwi

ą

zane

zwi

ą

zane ze

ze spinem

spinem elektronu

elektronu..

Spin

Spin elektronu

elektronu

mo

Ŝ

na

mo

Ŝ

na traktowa

ć

traktowa

ć

jako

jako jego

jego własny

własny

moment

moment p

ę

du

p

ę

du

,,

a

a

jego

jego

połówkowa

połówkowa

warto

ść

warto

ść

oznacza,

oznacza,

Ŝ

e

Ŝ

e pojedynczy

pojedynczy elektron

elektron

mo

Ŝ

e

mo

Ŝ

e znajdowa

ć

znajdowa

ć

sie

sie w

w dwóch

dwóch

Ŝ

nych

Ŝ

nych

stanach

stanach

kwantowych,

kwantowych,

odpowiadaj

ą

cych

odpowiadaj

ą

cych dwóm

dwóm ro

Ŝ

nym

ro

Ŝ

nym

rzutom

rzutom spinu

spinu..

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

w

 n

a

 c

h

ip

ie

Mo

Ŝ

liwo

ś

ci przetwarzania informacji

Mo

Ŝ

liwo

ś

ci przetwarzania informacji

M

o

Ŝ

li

w

o

śc

p

rz

et

w

a

rz

a

n

ia

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

ę

 krzywej 

Przyczyny nasycenia si

ę

 krzywej 

„logistycznej”

„logistycznej”

Brak wiedzy

Brak wiedzy

Ograniczenia techniczne

Ograniczenia techniczne

Ograniczenia ekonomiczne

Ograniczenia ekonomiczne

Zmiana zainteresowa

ń

Zmiana zainteresowa

ń

nano-CMOS wchodzi do 

produkcji

Wymiar 
charakterystyczny

Nanotechnologia

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

background image

2011-01-17

3

Silnie napr

ęŜ

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

ęŜ

ony kanał Si

Ź

ródło:

Nanoelektronika

Nanoelektronika

CMOS 2018

CMOS 2018

• koszt

• koszt

< 10

< 10

--11 

11 

$ / bramka

$ / bramka

• rozmiar

• rozmiar

< 8 nm / przyrz

ą

d

< 8 nm / przyrz

ą

d

• szybko

ść

• szybko

ść

< 0.2 ps / operacj

ę

 

< 0.2 ps / operacj

ę

 

• energia

• energia

< 10

< 10

--18 

18 

J / operacj

ę

 

J / operacj

ę

 

Richard Feynman (1918

Richard Feynman (1918--1988)

1988)

••

praca przy projekcie Manhattan,

praca przy projekcie Manhattan,

••

najpełniejsza wersja elektrodynamiki kwantowej (

najpełniejsza wersja elektrodynamiki kwantowej (

Nobel 

Nobel 

1965

1965

),

),

••

teoria nadciekło

ś

ci,

teoria nadciekło

ś

ci,

••

ilo

ś

ciowe uj

ę

cie teorii oddziaływa

ń

 słabych,

ilo

ś

ciowe uj

ę

cie teorii oddziaływa

ń

 słabych,

••

teoria partonów (główny wkład do teorii oddziaływa

ń

 

teoria partonów (główny wkład do teorii oddziaływa

ń

 

silnych),

silnych),

••

podwaliny pod rozwój kwantowej teorii grawitacji.

podwaliny pod rozwój kwantowej teorii grawitacji.

Troch

ę

 historii...

Troch

ę

 historii...

1959 

1959 –

– wizja Feynmana

wizja Feynmana

What

What II want

want to

to talk

talk about

about is

is the

the problem

problem of

of

manipulating

manipulating and

and controlling

controlling things

things on

on a

a small

small

scale

scale.. ((…

…)) It

It is

is a

a staggeringly

staggeringly small

small world

world that

that is

is

below

below.. In

In the

the year

year 2000

2000,, when

when they

they look

look back

back at

at

this

this age,

age, they

they will

will wonder

wonder why

why it

it is

is not

not until

until the

the

year

year 1960

1960 that

that anybody

anybody began

began seriously

seriously to

to move

move

in

in this

this direction

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 Institute 

Annual Meeting of the American Physical Society, California Institute 
of Technology, Pasadena, December 29, 1959

of Technology, Pasadena, December 29, 1959

http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html

http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html

Nagrody Feynmana

Nagrody Feynmana

Za wykonanie silnika mieszcz

ą

cego si

ę

 w sze

ś

cianie o boku 

Za wykonanie silnika mieszcz

ą

cego si

ę

 w sze

ś

cianie o boku 

nie wi

ę

kszym ni

Ŝ

 1/64 cala

nie wi

ę

kszym ni

Ŝ

 1/64 cala

– w 1960r William H. McLellan 

w 1960r William H. McLellan 

zbudował silnik, który wa

Ŝ

ył 250 

zbudował silnik, który wa

Ŝ

ył 250 

µ

g

µ

g i miał moc 1 mW

i miał moc 1 mW

Za zmniejszenie strony z ksi

ąŜ

ki do rozmiaru w skali 1/25000

Za zmniejszenie strony z ksi

ąŜ

ki do rozmiaru w skali 1/25000

--

w 1985r na Uniwersytecie Stanford Thomas Newman 

w 1985r na Uniwersytecie Stanford Thomas Newman 
odtworzył pierwszy akapit 

odtworzył pierwszy akapit Opowie

ś

ci o dwóch miastach

Opowie

ś

ci o dwóch miastach

Karola Dickensa

Karola Dickensa

Fabryki na poziomie atomowym

Fabryki na poziomie atomowym

K. Eric Drexler

K. Eric Drexler

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

Nanotechnologia to manipulowanie 

Nanotechnologia to manipulowanie 
atomami i cz

ą

steczkami w "nanoskali"

atomami i cz

ą

steczkami w "nanoskali"

www.e

www.e--drexler.com

drexler.com

background image

2011-01-17

4

Micro

Micro-- nano

nano--

Na dzi

ś

 mamy wi

ę

c dwa nowe paradygmaty:

Na dzi

ś

 mamy wi

ę

c dwa nowe paradygmaty:

„W

„W mikrotechnologii

mikrotechnologii wyzwaniem

wyzwaniem jest

jest budowanie

budowanie rzeczy

rzeczy coraz

coraz

mniejszych

mniejszych

,, w

w nanotechnologii

nanotechnologii za

ś

za

ś

-- coraz

coraz

wi

ę

kszych

wi

ę

kszych

..”

--

-- Eric Drexler

Eric Drexler





Mikrotechnologia

Mikrotechnologia





Nanotechnologia

Nanotechnologia

Je

Ŝ

eli tak, to reguły skalowania dla mikro

ś

wiata 

Je

Ŝ

eli tak, to reguły skalowania dla mikro

ś

wiata 

nie maj

ą

 zastosowania w nano

ś

wiecie.

nie maj

ą

 zastosowania w nano

ś

wiecie.

Maszyna jedzeniowa Drexlera

Maszyna jedzeniowa Drexlera

trawa

trawa

powietrze

powietrze

woda

woda

ś

wiatło słoneczne

ś

wiatło słoneczne

+

+

=

=

Maszyna jedzeniowa Drexlera

Maszyna jedzeniowa Drexlera

trawa

trawa

li

ś

cie

li

ś

cie

opona rowerowa

opona rowerowa

...

...

+

+

=

=

http://www.youtube.com/watch?v=vEYN18d7gHg

http://www.youtube.com/watch?v=vEYN18d7gHg

Modelowanie nanomaszyn

Modelowanie nanomaszyn

MarkIII(k) Planetary Gear

MarkIII(k) Planetary Gear
Liczba komponentów: 12

Liczba komponentów: 12
Liczba atomów: 3853

Liczba atomów: 3853
Wielko

ść

: 4,2 x 4,2 x 4,2 nm

Wielko

ść

: 4,2 x 4,2 x 4,2 nm

www.nanoengineer-1.com

SRG

SRG--I Speed Reducer Gear

I Speed Reducer Gear

Liczba komponentów: 4

Liczba komponentów: 4
Liczba atomów: 2924 

Liczba atomów: 2924 
Wielko

ść

: 4,7 x 2,8 x 3,6 nm

Wielko

ść

: 4,7 x 2,8 x 3,6 nm

Universal Joint

Universal Joint
Liczba komponentów: 4

Liczba komponentów: 4
Liczba atomów: 3846 

Liczba atomów: 3846 
Wielko

ść

: 3,8 x 3,8 x 6,4 nm

Wielko

ść

: 3,8 x 3,8 x 6,4 nm

1981 

1981 –

– skaningowy mikroskop tunelowy

skaningowy mikroskop tunelowy

--

Gerd Binnig i Heinrich Rohrer (Nobel 1986) konstruuj

ą

 

Gerd Binnig i Heinrich Rohrer (Nobel 1986) konstruuj

ą

 

skaningowy mikroskop tunelowy (STM)

skaningowy mikroskop tunelowy (STM)

Skaningowy mikroskop tunelowy

Skaningowy mikroskop tunelowy

STM

STM od

od ang

ang.. Scanning

Scanning Tunneling

Tunneling Microscope

Microscope

Mikroskopu

Mikroskopu ze

ze skanuj

ą

c

ą

skanuj

ą

c

ą

sond

ą

,

sond

ą

, który

który umo

Ŝ

liwia

umo

Ŝ

liwia uzyskanie

uzyskanie

obrazu

obrazu powierzchni

powierzchni materiałów

materiałów przewodz

ą

cych

przewodz

ą

cych ze

ze zdolno

ś

ci

ą

zdolno

ś

ci

ą

rozdzielcz

ą

rozdzielcz

ą

rz

ę

dy

rz

ę

dy pojedynczych

pojedynczych atomów

atomów dzi

ę

ki

dzi

ę

ki wykorzystaniu

wykorzystaniu

zjawiska

zjawiska tunelowego

tunelowego..

Wynalazek skaningowego 

Wynalazek skaningowego 
mikroskopu tunelowego 

mikroskopu tunelowego 
(STM), za który Gerd Binning 

(STM), za który Gerd Binning 
i Heinrich Röhrer dostali 

i Heinrich Röhrer dostali 
Nagrod

ę

 Nobla w dziedzinie 

Nagrod

ę

 Nobla w dziedzinie 

fizyki w 1986 roku

fizyki w 1986 roku

background image

2011-01-17

5

Mikroskop sił atomowych (AFM)

Mikroskop sił atomowych (AFM)

1985 

1985 –

– odkrycie fullerenów

odkrycie fullerenów

--

1985 

1985 –

– R.F. Curl Jr., H.R. Kroto i R.E. Smalley odkrywaj

ą

 fullereny 

R.F. Curl Jr., H.R. Kroto i R.E. Smalley odkrywaj

ą

 fullereny 

(Nobel w 1996r)

(Nobel w 1996r)

diament

grafit

fulleren

nanorurka

--

1991 

1991 –

– Sumio Ijima (NEC) odkrywa nanorurki w

ę

glowe

Sumio Ijima (NEC) odkrywa nanorurki w

ę

glowe

1991 

1991 –

– odkrycie nanorurek

odkrycie nanorurek

Własno

ś

ci:

Własno

ś

ci:

mechaniczne

mechaniczne

– wytrzymało

ść

 na rozci

ą

ganie 63GPa (hartowana 

wytrzymało

ść

 na rozci

ą

ganie 63GPa (hartowana 

stal 1,2 GPa)

stal 1,2 GPa)

kinetyczne

kinetyczne

– wew. warstwy 

ś

lizgaj

ą

 si

ę

 prawie bez tarcie

wew. warstwy 

ś

lizgaj

ą

 si

ę

 prawie bez tarcie

elektryczne

elektryczne

– przewodniki lub półprzewodniki (mog

ą

 przewodzi

ć

 

przewodniki lub półprzewodniki (mog

ą

 przewodzi

ć

 

pr

ą

d o 1000 razy wi

ę

kszym nat

ęŜ

eniu ni

Ŝ

 przewody metalowe)

pr

ą

d o 1000 razy wi

ę

kszym nat

ęŜ

eniu ni

Ŝ

 przewody metalowe)

termiczne

termiczne

– bardzo dobre przewodniki ciepła (wzdłu

Ŝ

)

bardzo dobre przewodniki ciepła (wzdłu

Ŝ

)

Nanorurki w

ę

glowe

Nanorurki w

ę

glowe

Nanorurki w

ę

glowe

Nanorurki w

ę

glowe

1998 

1998 –

– pierwszy tranzystor z nanorurk

ą

 

pierwszy tranzystor z nanorurk

ą

 

--

Cees Dekker 

Cees Dekker et al.

et al. (Politechnika Delft) tworz

ą

 tranzystor 

(Politechnika Delft) tworz

ą

 tranzystor 

wykorzystuj

ą

cy nanorurk

ę

 w

ę

glow

ą

wykorzystuj

ą

cy nanorurk

ę

 w

ę

glow

ą

background image

2011-01-17

6

1989 

1989 –

– napis wykonany z pojedynczych 

napis wykonany z pojedynczych 

atomów (IBM)

atomów (IBM)

1989 

1989 –

– D.M. Eigler (IBM) układa z  pojedynczych atomów Xe napis 

D.M. Eigler (IBM) układa z  pojedynczych atomów Xe 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

Ŝ

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

+

× 

× 

× 

× 

(L, W, t

ox

, x

j

)

××××

(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

Ŝ

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

Ŝ

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

ą

 wymiarów

Problemy z redukcj

ą

 wymiarów



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

ą

 

Klasyczne problemy z redukcj

ą

 

wymiarów (tranzystor MOS)

wymiarów (tranzystor MOS)





Redukcja grubo

ś

ci dielektryka,

Redukcja grubo

ś

ci dielektryka,





Zubo

Ŝ

enie bramki,

Zubo

Ŝ

enie bramki,





Rezystancja szeregowa,

Rezystancja szeregowa,





Efekty silnego domieszkowania,

Efekty silnego domieszkowania,





Obni

Ŝ

anie napi

ę

cia zasilania.

Obni

Ŝ

anie napi

ę

cia zasilania.

background image

2011-01-17

7

Problemy skalowania tranzystora MOS

Problemy skalowania tranzystora MOS

Upływno

ść

(pr

ą

d w stanie wył

ą

czenia I

Upływno

ść

(pr

ą

d w stanie wył

ą

czenia I

OFF

OFF

):

):

* pr

ą

d drenu

* pr

ą

d drenu

* pr

ą

d bramki

* pr

ą

d bramki

Niewspółmierny do skalowania wzrost pr

ą

du I

Niewspółmierny do skalowania wzrost pr

ą

du I

Dsat

Dsat

::

* małe ruchliwo

ś

ci no

ś

ników

* małe ruchliwo

ś

ci no

ś

ników

* rezystancje szeregowe

* rezystancje szeregowe

Rozrzut warto

ś

ci V

Rozrzut warto

ś

ci V

T

T

Niewspółmierny do skalowania wzrost szybko

ś

ci:

Niewspółmierny do skalowania wzrost szybko

ś

ci:

* pojemno

ś

ci paso

Ŝ

ytnicze

* pojemno

ś

ci paso

Ŝ

ytnicze

* rezystancje paso

Ŝ

ytnicze

* rezystancje paso

Ŝ

ytnicze

* parametry transportu no

ś

ników

* parametry transportu no

ś

ników

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, zuboŜony 
półprzewodnik

InŜynieria pasm

Tranzystor trójbramkowy

Tranzystor trójbramkowy

Boczna bramka

Boczna bramka

Górna bramka

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

Tranzystor trójbramkowy

Tranzystor trójbramkowy

 

T - Elektroda bramki  

Źródło 

Dren 

n

+

 GaN  

n AlGaN 

i GaN 

SiC 

Specjalna elektroda bramki w 
kształcie T obniŜa 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

ą

 typu T

Tranzystor z bramk

ą

 typu T

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

Problemy skalowania tranzystora MOS

Problemy skalowania tranzystora MOS

background image

2011-01-17

8

Nowe przyrz

ą

dy

Nowe przyrz

ą

dy

Generacja

Bramka 
L

G

µ

m

Ewolucja CMOS

Rewolucja

CMOS

egzotyka

Rozsądnie 

podobne

nanorurki
nanodruty

nowe

przyrządy

Najbardziej fundamentalne ograniczenia

Najbardziej fundamentalne ograniczenia

φφφφφφφφ

protonu 

protonu 

≈≈≈≈≈≈≈≈

10

10

--15

15

m

m

φφφφφφφφ

atomu 

atomu 

≈≈≈≈≈≈≈≈

10

10

--10

10

m

m

1) Minimalna odległo

ść

 dwóch rozró

Ŝ

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

background image

2011-01-17

9

Całkowite zu

Ŝ

ycie mocy 

Całkowite zu

Ŝ

ycie mocy 

przy minimalnej energii bitu

przy minimalnej energii bitu

Układ wyparowałby po wł

ą

czeniu!

Układ wyparowałby po wł

ą

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

Ŝ

my

rozwa

Ŝ

my 3.2 GHz procesor

3.2 GHz procesor

•• w

w 1 cy

1 cyklu

klu s

sy

ygna

gnałł mo

Ŝ

e przeby

ć

 drog

ę

:

mo

Ŝ

e przeby

ć

 drog

ę

:

•• c

c/(3.2 GHz) = 9.4 cm

/(3.2 GHz) = 9.4 cm

•• w

w 1

1--cy

cyk

kllu sygnał odbywa podró

Ŝ

 do pami

ę

ci 

u sygnał odbywa podró

Ŝ

 do pami

ę

ci 

podr

ę

cznej(cache)

podr

ę

cznej(cache) i z powrotem

i z powrotem::

•• Lokalizacja pami

ę

ci powinna by

ć

 bli

Ŝ

sza ni

Ŝ

Lokalizacja pami

ę

ci powinna by

ć

 bli

Ŝ

sza ni

Ŝ

4.7 cm!

4.7 cm!

•• w typowych materiałach sygnały elektryczne 

w typowych materiałach sygnały elektryczne 
„podró

Ŝ

uj

ą

” z pr

ę

dko

ś

ci

ą

 mniejsz

ą

 od

„podró

Ŝ

uj

ą

” z pr

ę

dko

ś

ci

ą

 mniejsz

ą

 od

~0.5 

~0.5 c

c

•• W praktyce pami

ęć

 powinna by

ć

 nie dalej ni

Ŝ

W praktyce pami

ęć

 powinna by

ć

 nie dalej ni

Ŝ

2.34 cm!

2.34 cm!

c=2.9979 x 10

c=2.9979 x 10

8

8

m/sekundę

m/sekundę

••••

Ograniczenia fundamentalne

Ograniczenia fundamentalne

Aktualnie laboratoryjne układy logiczne pracuj

ą

 przy 

Aktualnie laboratoryjne układy logiczne pracuj

ą

 przy 

szybko

ś

ciach wi

ę

kszych od 100GHz

szybko

ś

ciach wi

ę

kszych od 100GHz!!

•• Przyjmuj

ą

Przyjmuj

ą

f=150GHz

f=150GHz

i powtarzaj

ą

c poprzednie 

i powtarzaj

ą

c poprzednie 

rozumowanie otrzymujemy odległo

ść

 od pami

ę

ci nie 

rozumowanie otrzymujemy odległo

ść

 od pami

ę

ci nie 

wi

ę

ksz

ą

 od 

wi

ę

ksz

ą

 od 

~0

~0.5 mm!

.5 mm!

•• S

ą

 to rozmiary znacznie mniejsze od rozmiaru 

S

ą

 to rozmiary znacznie mniejsze od rozmiaru 

chipu

chipu!!

Wniosek: 

Wniosek: 

gdy 

gdy 

ff

↑↑↑↑↑↑↑↑

,archite

,architek

ktur

tury układów (mikroprocesorów) musz

ą

 

y układów (mikroprocesorów) musz

ą

 

mie

ć

 charakter coraz bardziej lokalny  

mie

ć

 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

(W

a

ty

)

Moc w stanie wyłączenia

Moc w stanie aktywnym

Moc wynikaj

ą

ca z upływno

ś

ci stanowi coraz wi

ę

kszy 

Moc wynikaj

ą

ca z upływno

ś

ci stanowi coraz wi

ę

kszy 

procent całkowitej mocy układu

procent całkowitej mocy układu

Moc wynikaj

ą

ca z upływno

ś

ci

Moc wynikaj

ą

ca z upływno

ś

ci

Prognoza ITRS przewiduje 93 W/cm

Prognoza ITRS przewiduje 93 W/cm

2

2

dla 

dla 

mikroprocesorów w roku 2016

mikroprocesorów w roku 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

eksperyment ok.790W/cm

eksperyment ok.790W/cm

2

2

Jak

ą

 moc mog

ą

 wytrzyma

ć

 

Jak

ą

 moc mog

ą

 wytrzyma

ć

 

systemy półprzewodnikowe?

systemy półprzewodnikowe?

ITRS(International  Technology  Roadmap for Semiconductors)

Skalowanie do rozmiarów molekularnych mo

Ŝ

e nie zaowocowa

ć

 

popraw

ą

 parametrów u

Ŝ

ytkowych

musimy pój

ść

 na kompromis mi

ę

dzy szybko

ś

ci

ą

 a g

ę

sto

ś

ci

ą

 upakowania

Optymalne rozmiary (zale

Ŝ

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 nanoelektroniki

Implikacje dla nanoelektroniki

background image

2011-01-17

10

Liczba atomów domieszki

Liczba atomów domieszki

w obszarze zubo

Ŝ

enia tranzystora MOS

w obszarze zubo

Ŝ

enia tranzystora MOS

n

n

b

b

= N

= N

B

B

[cm

[cm

--3

3

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

X

X

d

d

WCZORAJ

WCZORAJ

n

n

b

b

= 10

= 10

16

16

cm

cm

--3

3

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

10

10

µµµµµµµµ

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

10

10

µµµµµµµµ

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

0,3

0,3

µµµµµµµµ

≈≈≈≈≈≈≈≈

3

3

××××××××

10

10

5

5

atomów

atomów

DZISIAJ

DZISIAJ

n

n

b

b

= 10

= 10

1

18

8

cm

cm

--3

3

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

0,

0,2

2

µµµµµµµµ

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

0,

0,05

05

µµµµµµµµ

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

0,

0,03

03

µµµµµµµµ

≈≈≈≈≈≈≈≈

300

300 atomów

atomów

JUTRO

JUTRO (SOI)

(SOI)

n

n

b

b

= 10

= 10

1

19

9

cm

cm

--3

3

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

0,0

0,01

1

µµµµµµµµ

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

0,0

0,01

1

µµµµµµµµ

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

0,0

0,002

02

µµµµµµµµ

m

m

≈≈≈≈≈≈≈≈

2

2 atom

atomy 

!!

!!

Wpływ nanotechnologii na nasze

Ŝ

ycie b

ę

dzie znacznie wi

ę

kszy ni

Ŝ

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

Ŝ

nanotechnologia oferuje mo

Ŝ

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

Ŝ

e by

ć

pomijana.

M. Bugajski, ELTE’2004

Nanotechnologie

Nanotechnologie

Fizyka jest jak seks

Fizyka jest jak seks

pewnie, 

Ŝ

e mo

Ŝ

e dawa

ć

 jakie

ś

 praktyczne 

pewnie, 

Ŝ

e mo

Ŝ

e dawa

ć

 jakie

ś

 praktyczne 

rezultaty, ale nie dlatego to robimy. ”

rezultaty, ale nie dlatego to robimy. ”

Richard Feynman 

Richard Feynman 

(1918

(1918--1988)

1988)

fizyk,

fizyk,

laureat Nagrody Nobla (1965)

laureat Nagrody Nobla (1965)