Download
1 / 68
680 likes | 819 Vues
פרופ ’ יוסי שחם-דיאמנד אוניברסיטת תל-אביב. התקנים ומעגלים ננואלקטרונים. התפתחות טכנולוגית CMOS. המעבר לננואלקטרוניקה. C. A. מתג. A - כניסה B - יציאה C - בקרה. B. לוגיקה חיובית. “0” = C המתג פתוח - מסלול האות מנותק “1” = C המתג סגור - מעביד אות. שימושי מתגים.
E N D
פרופ’ יוסי שחם-דיאמנד אוניברסיטת תל-אביב התקנים ומעגליםננואלקטרונים
C A מתג A - כניסה B - יציאה C - בקרה B לוגיקה חיובית “0” = C המתג פתוח - מסלול האות מנותק “1” = C המתג סגור - מעביד אות
שימושי מתגים • רכיבים לוגים - שערים ( GATES ) • זכרונות : • זיכרונות לקריאה בלבד - ROM • זיכרונות גישה אקראית - RAM • זיכרונות לא נדיפים - NVRAM • רכיבים לדגימת אות
SCALING • הגדלת גודל ההתקנים: • יותר מהירות • פחות הספק • יותר אמינות • יותר סיבוכיות • פחות מחיר
משמעות הגודל דוגמה: זיכרון לכתיבה בלבד בעזרת מתגים ודיודות
VDD O0 O1 O2 O3 I0 I1 I2 I3 מימוש זיכרון בעזרת דיודות ומתגים P
VDD 0 0 0 0 0 0 0 0 P=1 שלב ראשון - PRECHARGE
VDD 1 1 1 0 1 0 0 0 P=0 שלב שני - קריאה
מהי טבלת האמת של הזיכרון הקודם ? I O 0001 1010 0010 0011 0100 1001 1000 0010
כמה זיכרון ניתן להכניס ל ס”מ רבוע ? מיקרואלקטרוניקה: טכנולוגיה של 0.18 מיקרון טרנזיסטור שטח התא: 200~ מיליון תאים בס”מ רבוע דיודה ננואלקטרוניקה: טכנולוגיה של 10 ננומטר שטח התא: ויש 6.25 ביליון תאים לס”מ רבוע
B A שימוש במתג לקבלת פונקציה לוגית C=A·B ABC 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Precharge מימשנו את הפונקציהAND
שימוש במתג לקבלת פונקציה לוגית VDD Vin VinVout 0 1 1 0 Vout מהפך - INVERTER
יישום ארכיטקטורותננומטריות - זיכרון “אינטליגנטי “
איך מקבלים מתג ? בסיליקון: טרנזיסטורMOS טרנזיסטור ביפולרי במוליכים למחצה מורכבים טרנזיסטוריתופעת שדה טרנזיסטורביפולריעם צומת הטרוגנית ( HBT )
איך מקבלים מתג “ננו”? במוליכים למחצה: התקנים קוונטיםננומטרים התקנים אחרים התקנימנהורעל בסיס מולקולות אורגניות התקניספיןמגנטי
חסמים לטכנולוגיות מתגים חסם תרמודינמי - כאשר האנרגיה לכתיבה או קריאה שלסביתמגיעה לערך של - kT . האנרגיה למיתוג שערCMOS כיום הנה כ 10-13ג’אול. אנרגיה זו גדולה פי מיליון מהחסםהתרמודינמי. חסםקוונטי -אנרגית המיתוג מקיימת את עקרון אי-הוודאות DE Dt >h . מקובל לדרוש E/f~100hכאשרf הנו תדר המיתוג
חסמים לטכנולוגיות מתגים (ב’) חסם תרמי - כאשר לא ניתן לפזר את החום הנוצר במיתוג. צפיפות ההספק הנה: P/A~E(N/A) pf כאשרN/A זוהי צפיפות ההתקנים E אנרגיה מבוזבזת במיתוג p החלק של ההתקניםשמיתמתג במחזור ( בדרך כלל 0.1 ~ ) f התדר מקובל שצפיפות ההספק המכסימלית היא 100 וואט לס”מ רבוע
חסמים תיאורטיים של התקניםננומטרים (Hadley 96 )
התקני אלקטרונים בודדים - SET-Single Electron Transistors • SET is a three terminal device based on the Coulomb blockade where the number of electrons on an island or dot is an integer number controlled by a gate. The dot may have up to thousands of electrons depending on the size and material.
התקנים “דמויי” ננומטרים • Yano-type memory is a two terminal device where information is stored in deep traps in poly-Si. • Nano-flash memory is a three terminal device without a tunnel barrier between source and drain but with the addition of a floating gate in between the driven gate and the transistor channel. When fabricated at nanoscale dimensions, the increase of charge by one electron causes an abrupt shift in the turn off voltage. למרות שהאינפורמציה שמורה בהתקנים אלו במבניםננומטריםיש הסתייגות לקרוא להם התקניםננואלקטרוניםשכן הם גרסה מוקטנת של התקנים קונבנציונלים ( מיקרומטריים).
לכידת אלקטרון ע”י מחסום אלקטרוסטטי כאשרC קטן מאוד ניתן לקבל שאנרגיית הטעינה e2/Cגדולה מהאנרגיה התרמית kT. במקרה זה אלקטרונים יוכלו לצאתרק ע”ימנהור - ע”יהפעלת מתחה”שער” כאשר יש הפרש פוטנצאלים ביןה”מקור” ל”שפך”.
תכנוןSET • כדי שאנרגיית הטעינה e2/Cתהיהגדולה מהאנרגיה התרמית kT יש להקטין את הקיבול של השער. ניתן להראות שזה דורש מהשער להיות קטןמ- 10 ננומטר. • חישובים הראו שהתקני SET צריכים להיות מגודל של 2 ננומטרלכל היותר. • התקני SET פועלים בדרך כלל בגבול הקוונטי. • אנרגיות המיתוג הן אלפית אלקטרון וולטולכןטמפרטורתההפעלהצריכה להיות מספר מעלות קלווין.
בעיתהעומס ב- SET SET לא יכול למתג עומסיםקיבוליםמשמעותיים. לפיכך נחוצים התקנים נוספים לתיווך בין שעריSET לקווי תמסורת ושערים אחרים.
התקניננו-הבזק - Nano-flash • התקנים אלו שומרים את המידע ע”י מטענים באשור השער. • התכנון שלהם קטן מDRAM רגיל וגדול מ- SET • הם יכולים לשמש שלב ביניים.
תחזיות להתקניםננומטרים • Silicon DRAM has complexity of 3x10 8 bits/chip at present and is projected to reach 3x10 11 bits/chip by 2012. • The drivers are complexity and access time; power dissipation is not a major issue for DRAM. • CMOS DRAM speed, however, is close to saturation, rising from 100 MHz at present to 150 MHz by 2012, and this will become a major limitation. • SRAM is faster and scales better (0.2 - 0.6 GHz now, 1 GHz in 2012), but dissipates power in much the same way as logic.
בעיות ב- SET 1. פלוקטואציות במטען הרקע הנובע מקיבול פרזיטי ורעש המיתוג. 2. הדרישות מההומוגניות בלתי ניתנות למימוש כיום. 3. קשה לשלב התקניSET לפיכך לא נראה כיום שטכנולוגיית ה- SET תחליף את טכנולוגיית ה- MOS.
אתגרים במימושRTD 1. שליטה על מחסום המינהור - הטכנולוגיה היום לא בשלה ליצר מיליוני התקנים זהים מבחינת יכולת המינהור. 2. מוגבל למוליכים למחצה מורכבים (כיום). 3. הספק יציאה נמוך - לא תחרותי עם התקנים אחרים.
Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) Logic • based upon a superconducting quantum effect, where a flux quantum is used as a bit. The basic switching elements are Josephson junctions (JJ). • Currently RSFQ works at speeds above 100 GHz and power dissipation down to 1 µW/gate. • There are two basically different technologies to produce RSFQ circuits, depending on weather low temperature superconductors (LTS) or high temperature superconductors (HTS) are employed.
Intermolecular Nanoelectronics המונח בא לתאר מיתוג ברמה המולקולרית. • Ultimate bit densities of 10 12 bits/cm 2 [Hopfield 1992] • Decreased switching cycle times to 10 ps [Hameroff 1989] • Reduced energy per bit cycle to 1 eV [Hopfield 1992].
1. Tetrathiafulvalium (+) with a partially filled highest occupied molecular orbital to allow free states for conduction 2. Tetrathisfulvalene which is an insulator because of its filled highest molecular orbital.
שיטות אלטרנטיביות למיתוג מולקולרי מיתוג אלקטרו מכני התכונות מוגדרות ע”י הגדרת מיקום המולקולה ולא האלקטרונים שלה. דוגמה: השימוש ב 60C שצורתו עוותה ע”י מחט שלSTM. העיוותהורטיקטךישינה את רמות המינהור בתהודה ( RESONANT TUNNELLING )
