文档介绍：纳电子学:信息技术的未来
郭宇锋
南京邮电大学光电工程学院微电子技术系
目录
微电子学面临的问题
奇妙的纳米尺寸效应
纳电子器件
纳电子系统
微电子技术基本规律
Moore定律
集成电路的集成度每18个月翻一番。
Electronics()
Intel微处理器的发展历程
微电子技术基本规律
等比例缩小定律
为保持晶体管的性能,晶体管的尺寸缩小应当遵循等比例缩小原则。
一个晶体管所包含的原子个数1960年的1020个,到2010年将减少到103个。
集成电路的scaledown
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
1019
107
103
108皮焦耳
10-8皮焦耳
每位信息的原子数
每个逻辑运算的能量
微电子器件的特征时间和结构
埃
1nm
10nm
100nm
1um
10um
10-15
10-14
10-13
10-12
10-11
10-10
能带图失效
量子效应
传输的不规则性
突变结
各种IC
耗尽层
德拜长度
平均自由程
电子波
分子
原子
1ps
尺寸
特征时间/s
芯片特征尺寸的发展
1980
1990
2000
2010
1
3
ASICs
第一代VLSI系统
创新的VLSI系统
先进技术
MOS晶体管
MOS晶体管的极限
量子电子器件
(QED)
年
尺寸/um
功耗与延迟
100nW
1uW
10uW
100uW
1mW
10mW
100fs
1ps
10ps
100ps
1ns
10ns
TTL
100mW
100ns
ECL
III-IV
HBT
MESFET
HFET
CMOS
低功耗
高速
SET
RTD
1aJ
10aJ
100aJ
1fJ
10fJ
功耗/门 Pd
延迟 td
当前技术区域
当前技术
局限的区域
热学限制
的区域
超出经典物理
限制的区域
最小晶体管尺寸的限制
为防止栅氧隧道击穿:tox>3nm
为防止栅氧电击穿:Vg<
为确保反型沟道形成:Na=1018cm-3
为防止源漏耗尽区相连,Lch=30nm
晶体管面积应至少等于沟道面积的8倍:
A=×10-10cm-2
1根头发的截面积上可放置4000个晶体管
1cm2面积上可容纳140亿个晶体管。
沟道内约有107个硅原子,100个掺杂分子。
工作时沟道内约有150个电子。
功耗Ws≈600kT
(根据热力学理论,处理一位信息的极限能量为2ln2kT=)
N+
P
Sourse
源极
N+
Gate
栅极
Drain
漏极