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
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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
e zale
e zale
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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,
Ŝ
Ŝ
e pojedynczy elektron mo
e pojedynczy elektron mo
Ŝ
Ŝ
e znajdowa
e znajdowa
ć
ć
sie w dw
sie w dw
ó
ó
ch r
ch r
ó
ó
Ŝ
Ŝ
nych stanach kwantowych, odpowiadaj
nych stanach kwantowych, odpowiadaj
ą
ą
cych dw
cych dw
ó
ó
m
m
ro
ro
Ŝ
Ŝ
nym rzutom spinu.
nym rzutom spinu.
Mo
Mo
Ŝ
Ŝ
liwo
liwo
ś
ś
ci przetwarzania informacji
ci przetwarzania informacji
M
o
Ŝ
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
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
< 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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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
ąŜ
ąŜ
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
Ŝ
Ŝ
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
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
+
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
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
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
Ŝ
Ŝ
enie bramki,
enie bramki,
Rezystancja szeregowa,
Rezystancja szeregowa,
Efekty silnego domieszkowania,
Efekty silnego domieszkowania,
Obni
Obni
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
ytnicze
ytnicze
* rezystancje paso
* rezystancje paso
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
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 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
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
Ŝ
e
SiGe
napr
ęŜ
ony Si
Tranzystor MOS SOI
Tranzystor MOS SOI
z kana
z kana
ł
ł
em z napr
em z napr
ęŜ
ęŜ
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, zuboŜony
półprzewodnik
InŜynieria 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
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
Ca
Ca
ł
ł
kowite zu
kowite zu
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
sza ni
sza ni
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
Ŝ
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
Ŝ
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
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
Implikacje dla
nanoelektroniki
nanoelektroniki
Liczba atom
Liczba atom
ó
ó
w domieszki
w domieszki
w obszarze zubo
w obszarze zubo
Ŝ
Ŝ
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
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