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APRIAMO UN PC …. motherboard. I calcolatori sono macchine complesse; elaborano numeri, testi, suoni, immagini….
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APRIAMO UN PC … motherboard I calcolatori sono macchine complesse; elaborano numeri, testi, suoni, immagini… Il “cervello” del calcolatore è costituito dalla CPU (unità centrale di elaborazione) o processore, che include al suo interno tutti i circuiti necessari per compiere le istruzioni elementari. transistor chip 1 computer = 1 o + CPU 1 CPU = 1 chip 1 chip = 107 – 108 transistor CPU computer Bussei Paolo Fisica 24 ore – Parma 21 febbraio 2003 bussei@fis.unipr.it
… la CPU o processore: sempre + veloci Capello Lo sforzo per raggiungere velocità di esecuzione delle istruzioni sempre maggiori ha portato alla realizzazione di processori sempre più complessi, con un numero via via crescente di moduli funzionali interni diversi. Transistor: ~ 1m2 Chip: ~150 mm2 Wafer: 300 mm
… ma tutto ciò come si collega con la fisica? • I componenti microelettronici sono un po’ ovunque, fanno parte della nostra vita quotidiana: • cellulari, • telecomando della TV, • puntatore laser, • lettoriMP3, • orologi al quarzo, • sensori ottici delle macchine fotografiche digitali, • videocamere , … Il funzionamento di tutti questi apparecchi è stato possibile grazie alla comprensione delle leggi della fisica dello stato solido, in particolare dei … … semiconduttori
LA SCOPERTA DEL TRANSISTOR … Il primo transistor … … ed uno di oggi
PROPRIETA’ FISICHE DELLA MATERIAbande di energia Nella formazione dei solidi, gli orbitali atomici si fondono a formare orbitali cristallini, estesi a tutto lo spazio occupato dal solido. Gli elettroni di valenza nei solidi, dunque, non sono più legati ai singoli atomi, ma sono delocalizzati. Larghezza banda : qualche eV A questi elettroni non corrispondono più singoli livelli discreti di energia, ma moltissimi livelli con valori vicinissimi l’uno all’altro, ossia distribuiti in modo quasi continuo in un certo intervallo dell’energia. A questa distribuzione si dà il nome di banda di energia. Le varie bande possono essere separate da intervalli di energia proibiti, che non possono essere occupati da alcun elettrone.
elettroni e lacune La configurazione elettronica di un solido a temperature diverse dallo zero assoluto è in generale diversa da quella corrispondente allo stato fondamentale. Nei semiconduttori ad esempio, per effetto della temperatura può accadere che la banda di valenza non sia completamente occupata. A livello pittorico possiamo immaginare che in un livello non occupato della banda di valenza sia presente una particella immaginaria, detta “buca” o “lacuna”. Una delle conseguenze inaspettate della teoria delle bande è che questa “particella” si comporta come se avesse carica elettrica positiva: sotto l’azione di un campo elettrico esterno accelera nello stesso verso del campo elettrico applicato.
Proprietà dei semiconduttori. • Passando da un materiale ad un altro, s può variare di molti ordini di grandezza: • superconduttori: s infinita, per T < Tc (temperatura critica) • metalli: s 106 104 (W.cm) -1 • semiconduttori:s 103 10-6 (W.cm) -1(a temperatura ambiente) • isolanti:s 10-10 10-20 (W.cm) –1 • L’enorme variazione di sdipende dalla configurazione elettronica dello stato fondamentale del cristallo. snei semiconduttori dipende fortemente dalla temperatura e dal contenuto di impurezze.
Proprietà dei semiconduttori: impurezze (donori e accettori) Donore è un’impurezza che cede facilmente (“dona”) uno dei suoi elettroni di valenza alla banda di conduzione del semiconduttore. Un donore tipico è il fosforo (pentavalente). Il livello di energia dell’elettrone del P è all'interno del gap, poco al di sotto della banda di conduzione. Il semiconduttore è detto "di tipo n ", perché i portatori sono gli elettroni, di carica negativa. Un analogo discorso vale se invece dei donori sono presenti impurezze accettori, come ad esempio il boro che è trivalente. I tre elettroni di valenza del boro sono legati in modo covalente a tre atomi di silicio adiacenti, lasciando vacante il legame con il quarto atomo. Questo equivale a dire che una lacuna sta intorno al boro. Allora i portatori maggioritari sono le lacune e il semiconduttore è detto "di tipo p ", perché le lacune si comportano come particelle di carica positiva.
Giunzione p-n. Un semic. omogeneo ad una data T si comporta come una normale resistenza, sia esso intrinseco o drogato. Le applicazioni pratiche dei semic. in generale si basano su monocristalli nei quali è stata artificialmente creata una variazione nel drogaggio più o meno brusca: una giunzione p - n Al campo elettrico che si crea fra le due zone si devono le importanti caratteristiche elettriche della giunzione. Crescita dal fuso zona di svuotamento o “depletion layer” diffusione Epitassia da fasci molecolari (MBE) Alcuni metodi per la formazione di una giunzione
Polarizzazione della giunzione (I) Quando alla giunzione è applicata una tensione esterna V, l’equilibrio viene alterato e attraverso la giunzione si stabilisce un flusso di portatori di carica la cui intensità dipende fortemente dal segno della tensione applicata. Dato il carattere asimmetrico della giunzione p-n sono infatti possibili due configurazioni distinte: diretta Caratteristica I-V per una giunzione p-n (notare la scala per I ) polarizzata in diretta • la parte p viene posta a potenziale maggiore • convenzionalmente V > 0 • la barriera è ora inferiore rispetto al caso di equilibrio e l’intensità della corrente cresce rapidamente all’aumentare del campo applicato
Polarizzazione della giunzione (II) • la tensione esterna aumenta il potenziale elettrico della parte n • convenzionalmente V<0 • il flusso dei portatori scende praticamente a zero ed è pressoché indipendente dal valore del potenziale applicato inversa Caratteristica I-V per una giunzione p-n (notare la scala per I ) polarizzata in inversa
Applicazioni della giunzione Una struttura costituita da una giunzione p - n con contatti ohmici agli estremi delle zone neutre p ed n è detto diodo a giunzionep - n. • transistor • dispositivi optoelettronici (emissione e rivelazione della radiazione) • celle solari • dispositivi a microonde Fotodiodi al Si per l’UV e un diodo laser Struttura di una cella solare a giunzione struttura di un diodo laser a giunzione struttura del LED
Il transistor bipolare a giunzione Il transistor bipolare a giunzione è il primo dispositivo elettronico attivo affidabile costruito sfruttando le proprietà fisiche dei cristalli semiconduttori • motivi del successo dei transistor (rispetto ai triodi): • funzionano utilizzando correnti e tensioni bassissime • sono ordini di grandezza più veloci • economici • affidabili • La proprietà più importante è la possibilità di fabbricare transistor di dimensioni microscopiche in forma integrata giunzioni
Polarizzazione del transistor In assenza di potenziale elettrico esterno, i portatori di carica si ridistribuiscono all’interno del transistor in modo da creare una condizione di equilibrio. Proprio come accade in un diodo semiconduttore. La condizione di equilibrio, può essere alterata applicando una differenza di potenziale ai capi delle due giunzioni del transistor, ovvero tra emettitore e base (VEB) e tra il collettore e la base (VCB).
Transistor ad effetto campo Giunzioni p-n e transistor a giunzione: dispositivi BIPOLARI • Esistono anche transistor UNIPOLARI: • JFET • MOSFET • CMOS • Transistor di questo tipo sono detti “ad effetto di campo” o FET (Field Efffect Transistor). • I vari tipi di transistor ad effetto campo agiscono come amplificatori controllati in tensione • Vantaggi: • lavorano con un minimo consumo di energia • possono essere ultra miniaturizzati • consentono la memorizzazione di segnali (gate) • Queste caratteristiche hanno favorito lo sviluppo di • calcolatori tascabili • orologi digitali • Very Large Scale Integration (VLSI) microprocessori
L’effetto campo La presenza di un campo elettrico esterno, altera la struttura delle bande di energia e modifica la conducibilità del semiconduttore. Questo è l’ effetto campo che viene impiegato per diminuire o aumentare la conducibilità di un semiconduttore. Si forma così in prossimità della superficie un “canale” o zona di svuotamento, tanto più ampia quanto maggiore è il potenziale VG del gate. Quando la tensione del gate supera un valore di soglia VT, si forma in prossimità della superficie un secondo strato caratterizzato da un’alta concentrazione di portatori minoritari. Questo è lo “strato di inversione”. In pratica, sotto l’azione del campo esterno, le bande del semiconduttore si piegano al punto tale da rendere energeticamente più favorevole (ad esempio per un semiconduttore di tipo p) la banda di conduzione rispetto a quella di valenza.
Fine della legge di Moore? “1975 - Il numero di transistor (e quindi la potenza di calcolo) raddoppia ogni 18 – 24 mesi” Le dimensioni dei transistor stanno raggiungendo fondamentali limiti fisici e tecnologici: • Possibili soluzioni: • Raffreddare i transistor a –40°C 2010 • Design + efficiente dei circuiti 2010 • Singolo computer su un unico chip 2010 – 2020 • Sistemi multiprocessore, parallelizzazione 2020 • … -- 2020 Oltre? Opinioni contrastanti…
LINKS UTILI … Dal silicio al computer http://informando.infm.it Semtec http://britneyspears.ac/lasers.htm http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html http://electronics.howstuffworks.com/index.htm http://www.research.ibm.com/thinkresearch/
