T6. De la microelectrònica a la nanolectrònica (2017)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Nanociencia y Nanotecnología - 3º curso
Asignatura Dispositius Electrònics
Año del apunte 2017
Páginas 11
Fecha de subida 31/10/2017
Descargas 0
Subido por

Vista previa del texto

Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato 6 DE LA MICROELECTRÒNICA A LA NANOELECTRÒNICA 6.1 LLEI DE MOORE I ESCALAT DEL MOSFET 6.1.1 Llei de Moore La llei de Moore estableix que aproximadament cada 18 mesos es duplica el nombre de transistors que hi ha a un circuit integrat.
A mesura que passa el temps, la mida dels transistors es va fent més i més petita i per tant, el nombre de transistors que caben en un dispositiu electrònic no para de créixer. Idealment, la mida dels transistors podria disminuirtrobat alguns problemes, que es troben explicats a continuació.
constant electric field scaling és la manera més popular de miniaturitzar els transistors i consisteix en canviar els paràmetres del MOS que siguin necessaris sempre i quan el camp elèctric es mantingui constant. Fent això es pot aconseguir que moltes de les característiques del MOSFET pateixen 6.1.2 Després de la llei de Moore límit que preveu la llei de Moore: Més Moore: Busca evolucionar les idees que es fan servir amb la llei de Moore i implementar el CMOS amb el compromís de continuar amb el procés de miniaturització tradicional però afegint desenvolupar medis amb una alta constant dielèctrica, SOI, transistors multiporta, portes metàl·liques... Hi ha una gran Més enllà del CMOS: Són disciplines emergents la fabricació de dispositius electrònics en que el seu funcionament es basa en principis físics completament diferents al funcionament del MOSFET.
ntació dels spins per fabricar Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato Més que Moore conviure amb estructures nanomètriques estructures o noves connexions.
electrònics flexibles.
6.1.3 M Més Moore és continuar disminuint la mida dels transistors MOS, ja que així es poden controlar els efectes de curtcircuit i, a més, es pot obtenir un corrent gran amb un voltatge de porta baix. El problema quan es disminueix la mida dels transistors és que (marcat en taronja a la figura de la dreta) permet que hi hagin fugues de corrent túnel entre el metall i el semiconductor. El fet que hi hagi La solució A la taula següent es fa un recull de diferents materials dielèctrics.
equivalent oxide thickness (EOT) ve donat per: Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato Hem de tenir en compte que existeix un compromís entre fer els dispositius més petits i per tant, disminuirla capacitat de controlar la càrrega, que és la principal gràcia del MOS.
6.1.4 Més Moore: Variabilitat de dopatge En dispositius de dimensions micromètriques el dopatge és tant gran que les petites variacions que podem trobar al llarg del dispositiu no afecten a les magnituds macroscòpiques, com per exemple el voltatge o la intensitat. Tanmateix, a mesura que es disminueix la mida dels transistors, també es disminueix la mida del canal i per tant, el nombre de portadors provinents del dopatge ha de ser també més baix. Quan el dispositiu es fa més petit, hi ha més influència de la variació del dopatge arreu del dispositiu.
tipus de MOSFET funcionaria de la següent manera: quan potencial positiu entre porta i font el dispositiu estaria ON i per tant, els electrons podrien circular entre font i font, el dispositiu es trobaria en OFF, de manera els electrons es repel·lirien per la distribució de càrregues i no passarien.
6.1.5 Més Moore: Corrent paràsita al substrat La capacitància paràsita és una capacitat inevitable i habitualment indesitjada que existeix entre diferents que provoca que a vegades, diferents elements circuitals com díodes o transistors es comportin fora de la idealitat.
Aquesta capacitància paràsita sol crear-se entre la porta i el substrat i pot evitar-se utilitzant una tecnologia que es coneix com silici sobre aïllant (SOI, Silicon On Insulator) que consisteix en la substitució 6.1.6 Més Moore: Efectes de canal curt (Short-channel Effect) short-channel succeeix quan la longitud del canal en un MOSFET és del mateix ordre que les amplades de la regió de buidament (de les unions de la font i el drenador). Aquests efectes de shortchannel es tradueixen en que el potencial de porta deixa de controlar el corrent que passa pel canal.
Aquest fet es pot observar en la corba característica del transistor, doncs no hi arriba mai a un corrent de saturació.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato La solució per aquests tipus de problemes és fer MOSFETs amb dues portes la natura capacitiva pròpia del MOSFET.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato 6.2 MÉS ENLLÀ DEL CMOS 6.2.1 Transport quàntic electrònica 10 Un dels ac transistors que puguin funcionar bé durant 10 anys. Per poder aconseguir-ho, una de les primeres passes és poder fer els transistors suficientment petits com per que en un dispositiu en puguin cabre 1010. Tanmateix, a mesura que es disminueix la mida dels objectes, la descripcions dels fenòmens físics deixa de ser clàssica i comença a endinsar-se en la descripció quàntica.
A la descripció clàssica, els electrons eren considerats com partícules o corpuscles. Tanmateix, de Broglie al 1929 va descriure correctament la natura dual dels electrons que, quànticament podien ser considerats com ones o com partícules.
de Broglie és la següent: 6.2.2 Díodes túnel ressonants (RTD, Ressonant Tunneling Diodes) Tal i com hem estudiat a fenòmens quàntics un díode túnel ressonant està compost bàsicament per dues aleshores no hi haurà transmissió.
elèctric , que fa inclinar les bandes amb pendent -eE de manera que podem variar el perfil de la banda de conducció del material i en conseqüència, l transmissió segons si apliquem o no potencial. Primerament, quan V=0, no hi haurà corrent, perquè els ció, a un determinat voltatge Finalment, si es continua augmentant el voltatge els electrons deixaran de poder passar a través de la barrera perq En aquesta zona, es veu a la gràfica de la pàgina següent que tot i que augmentem el voltatge, el corrent m una resistència negativa.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato altes utilitzant molt poca energia, com per exemple en els oscil·ladors de InAs/InGaAs que funcionen amb 0.3 W de potència. La part negativa és que, tal i com es pot veure a la següent imatge, la corva de I vs V 6.2.3 Dispositius basats en un sol electró A mesura que es dis un sol electró.
enomen de pertorbació del voltatge per a un sol electró, que consisteix en tenir un electró tancat dins una barrera de potencial, de manera que es crea una mena de capacitor.
): Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato potencial elèctric dins el Aprofitant- ox quantum dots. A més, també es poden desenvolupar circuits inversors utilitzant diferents quantum dots (diferents capacitats).
6.2.4 Spintrònica feble que únicament pot prendre dos valors ( ).
Es poden crear dispositius similars al transistor MOS però dissenyats per tenir en compte el spin: ferromagnètics que només deixen passar electrons que tenen un determinat valor de spin. A més, la porta, no crea una diferencia de potencial, sinó que crea un camp magnètic que controla el transport dels spins.
es poder millorar les CPU que es troben als ordinadors, per tal cuits lògics.
Dispositius Electrònics 6.2.5 Noelia Hernández Lobato Superconductors Anomenem superconductivitat a la capacitat intrínseca de certs materials per conduir corrent elèctric a amb més velocitat de processament. Tanmateix, la part negativa és que per estar en aquest estat de conductivitat els materials han de trobar-se a temperatura molt baixa, no funcionant com superconductors a temperatura ambient. Per tant, el seu ús no resulta factible.
6.2.6 Electrònica Molecular basa en el desenvolupament i disseny de molècules amb una funció electrònica funció electrònica. El problema bàsic és com connectar aquestes molècules al món macroscòpic, ja que estructures orgàniques p en el desenvolupament de les pantalles de cristall líquid, explicades al tema 5.
6.2.7 Grafè i materials 2D Una de les coses que ha despertat un particular interès en el grafè és la seva facilitat per conduir, doncs, la velocitat que poden adquirir els electrons és molt gran. A més, la seva estructura de bandes és lineal, a diferència amb la resta de materials estudiats, que tenen la estructura de bandes parabòlica. Finalment, dispositius estarien sempre encesos. La solució a aquest problema seria disposar diverses capes de grafè les unes sobre les altres, tanmateix, quan es fa això, la mobilitat dels electrons disminueix i llavors fabricar dispositius electrònics.
Dispositius Electrònics Noelia Hernández Lobato ÍNDEX 4 El transistor MOS .................................................................................................................................. 0 4.1 Estructura de bandes del transistor MOS ..................................................................................... 0 4.1.1 Tipus de transistors. Intensitat controlada per intensitat vs. intensitat controlada per voltatge. 0 4.1.2 El MOSFET ............................................................................................................................. 0 4.1.3 ............................................................................................... 1 4.1.4 Tipus de MOSFET: de canal n i de canal p ............................................................................. 2 4.1.5 Regions de treball del condensador MOS ............................................................................. 2 4.1.6 ..................................................................... 5 4.1.7 Enhancement and depletion MOSFET .................................................................................. 6 4.2 Transistor MOS. Dependència I-V ................................................................................................. 7 4.2.1 ....................................................... 7 4.2.2 Funcionament del MOSFET en funció de VG i VD. Voltatge de saturació, VDSAT...................... 7 4.2.3 ....................................................... 9 4.2.4 Tipus de transistors MOSFET .............................................................................................. 11 4.3 Transistor MOS. Història i aplicacions circuitals. ........................................................................ 13 4.3.1 Solució analítica: Inversor NMOS amb resistència de càrrega. .......................................... 13 4.3.2 Solució gràfica: inversor NMOS amb resistència de càrrega. ............................................. 14 4.3.3 ....................................................................................... 15 4.3.4 Primer tríode basat en un tub de buit (transistor, 1906) ................................................... 15 4.3.5 ............ 16 4.3.6 El transistor bipolar (1947) ................................................................................................. 16 4.3.7 CMOS i circuits integrats (1958).......................................................................................... 17 4.4 Transistor MOS. Portes lògiques i memòries. ............................................................................. 18 4.4.1 Model simple pels transistors FET ...................................................................................... 18 4.4.2 NMOS inversor amb resistència de càrrega........................................................................ 18 4.4.3 CMOS inversor .................................................................................................................... 19 4.4.4 CMOS Inversor: temps de retard (delay time) .................................................................... 21 4.4.5 Porta lògica NAND amb CMOS............................................................................................ 21 4.4.6 Memòries amb C-MOS: biestable ....................................................................................... 22 4.4.7 RAM: Random Access Memory ........................................................................................... 23 Dispositius Electrònics 5 4.4.8 Memòries RAM estàtiques i dinàmiques ............................................................................ 23 4.4.9 Memòries de només lectura: ROM ..................................................................................... 24 Dispositius fotònics ............................................................................................................................. 25 5.1 Propietats de la llum. Interacció llum matèria............................................................................ 25 5.1.1 Descripció de la llum ........................................................................................................... 25 5.1.2 Espectre electromagnètic ................................................................................................... 27 5.1.3 Unitats radiomètriques i fotomètriques ............................................................................. 28 5.2 Transicions radiatives.................................................................................................................. 29 5.2.1 Interacció entre electrons i fotons ...................................................................................... 29 5.2.2 Materials útils en optoelectrònica: gap directe i indirecte ................................................. 30 5.2.3 Potència elèctrica vs. potència òptica ................................................................................ 31 5.2.4 Transicions radiatives.......................................................................................................... 31 5.3 Emissors de fotons basats en semiconductors ........................................................................... 33 5.3.1 Eficiència quàntica .............................................................................................................. 33 5.3.2 LED: Light Emitting Diode .................................................................................................... 34 5.3.3 Làser: Light Amplification by Stimmulated Emission of Radiation ..................................... 35 5.3.4 Pantalles de cristall líquid (LCD, Liquid Crystal Displays) .................................................... 37 5.4 6 Noelia Hernández Lobato Detectors de fotons basats en semiconductors ......................................................................... 38 5.4.1 Tipus de fotodetectors ........................................................................................................ 38 5.4.2 ............................................................................................................ 38 5.4.3 Eficiència quàntica en fotodetectors .................................................................................. 39 5.4.4 Fotodíode ............................................................................................................................ 39 5.4.5 Cel·la solar basada en semiconductors. .............................................................................. 43 5.4.6 Fotodetectors de band gap indirecte.................................................................................. 44 5.4.7 Altres tipus de fotodetectors .............................................................................................. 44 De la microelectrònica a la nanoelectrònica ...................................................................................... 46 6.1 Llei de moore i escalat del mosfet .............................................................................................. 46 6.1.1 Llei de Moore ...................................................................................................................... 46 6.1.2 Després de la llei de Moore ................................................................................................ 46 6.1.3 dielèctrica............................................................................................................................................ 47 6.1.4 Més Moore: Variabilitat de dopatge................................................................................... 48 6.1.5 Més Moore: Corrent paràsita al substrat ........................................................................... 48 Dispositius Electrònics 6.1.6 6.2 Noelia Hernández Lobato Més Moore: Efectes de canal curt (Short-channel Effect) .................................................. 48 Més enllà del CMOS .................................................................................................................... 50 6.2.1 Transport quàntic electrònica ............................................................................................. 50 6.2.2 Díodes túnel ressonants (RTD, Ressonant Tunneling Diodes) ............................................ 50 6.2.3 Dispositius basats en un sol electró .................................................................................... 51 6.2.4 Spintrònica .......................................................................................................................... 52 6.2.5 Superconductors ................................................................................................................. 53 6.2.6 Electrònica Molecular ......................................................................................................... 53 6.2.7 Grafè i materials 2D ........................................................................................................... 53 ...

Comprar Previsualizar