Cours 5 (nanoélectronique)
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De la microélectronique à la nanoélectronique C’est quoi - un ordinateur? Microprocesseur: un milliard de transistors sur une plaquette de silicium Transistor: un sémiconducteur (silicium) dopé? 1971 : 4004 : 2 300 transistors 2007 : Dual-Core Itanium 2 : 1,9 milliards de transistors 2009 : GT300 (NVIDIA) : 3 milliards de transistors Théorie des bandes Électron dans un atome: Électron dans un solide: Niveaux d’énergie bien définis Cas intermédiaire: Les niveaux d’énergie se groupent en bande Électron dans le vide L’énergie d’un électron peut prendre n'importe quelle valeur Les bandes sont délocalisées sur tous les atomes! C’est quoi - un sémi-conducteur? Bande de conductivité Bande interdite Les électrons peuvent se déplacer dans la bande, parce qu’il y a toujours des places vides. ! conducteur Bande de valence Bande de valence entièrement occupée BOUCHON! Les électrons sont bloqués. BOUCHON ????? Comment faire conduire un sémi-conducteur? Bande de conductivité chaleur Bande de valence Bande de conductivité Bande de valence Plus de bouchon On ajoute une « impureté » Plus de bouchon Quels éléments sont des sémi-conducteurs? Silicium Sémiconducteur Le dopage des sémi-conducteur Dopage du type p (déficit d'électrons) Dopage du type n (excès d’électrons) Contact pn Les élontrons libres de la zone n vont remplir les trous de la zone p Chargé négatif Chargé positif Champ électrique Diode: ne laisse passer le courant électrique que dans un sens. un photon d'énergie suffisante arrache un électron, créant au passage un « trou » qui sont séparés grâce au champ dans le contact pn ! courant - Photodiode! Applications des diodes LED photovoltaïque Caméra CCD Williard Boyle et George Smith (prix Nobel de phyqique 2009) Transistor à effet de champ Interrupteur et amplificateur Inventé 1947 (Bell Laboratories, John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain) Avant Après Stockage magnétique Prédiction 1990: la fin du stockage magnétique Fabrication d’une micropuce 1958: Jack Kilby invente le circuit intégré en fabriquant cinq composants sur le même substrat. 1970: premier microprocesseur d!Intel (2250 transistors) 2009: Le processseur GT300 (NVIDIA) contient 3 milliard de transistors Fabrication d’un processeur par lithographie optique Départ : plaquette (wafer) de Silicium très pur Puis: gravure couche par couche des zones dopées qui constituent un circuit intégré. (250 étapes - deux semaine) Par des acides dissolution de la résine exposée à la lumière Lithographie La loi de Moore Gordon Moore (co-fondateur de Intel): Le nombre de transistors par processeur se double tous les 2 ans. Croissance exponentielle! Transistor plus petit ! augmentation de la vitesse Aujourd!hui: Lasers à 193 nm permettant d!atteindre des résolutions de 90 nm. La limite de 90 nm sera atteinte en 2015 - et après?? Au déla de la limite : rayons X, électrons, ions Idée: utilisation de particules à la longueur d!onde de plus en plus courte rayons X “mous” (ultraviolet extrême de 10 nm) - électrons - ions - atomes Que des problèmes: 1. 2. l’UV extrême est absorbée par tous les matériaux! (échange de l’optique focale par des miroirs ultra-précis, remplacement des masques par des produits réfléchissants, … ) Lithographie par un faisceau d’électrons ou d’ions (Electron/Ion Beam Lithography, EBL - microscopie électronique à balayage) Très lent et très cher Les visions: Dip pen lithographie (Les pointes de l’AFM sont utilisées pour déposer des molécules) nanoimprint Nanoguitar made by EBL Et après, l’électronique moléculaire? IDEE : assemblage d’un ordinateur à partir des molécules Avantages: • Les électrons sont mieux localisés ! moins de bruit électrique • Petit nombre d’électrons (100 par rapport à 10000) ! moins de chaleur • On peut utilisé les méthodes de la production chimique (auto assemblage)! moins cher Interrupteur moléculaire déclenché avec la lumière Conductivité par des électrons délocalisés Et un jour - dans une galaxie très lointaine: l’ordinateur quantique Basée sur la superposition et l’intrication des états quantiques. Élément de base Qubit (bit quantique) pas 1 ou 0, mais 1 et 0 à la fois Classique: Quantique 1 0 État superposé Idée: coupler plusieurs Qubits (intrincation) Permet de tester plusieurs possibilités parallèlement Si de grands (plus de 300 qubits) calculateurs quantiques pouvaient être construits, ils seraient capables de simuler le comportement de l'univers lui-même. Un algorithme dû à Peter Shor permet d'utiliser un calculateur quantique pour "casser" le code RSA. La photonique la génération, la transmission, le traitement ou la conversion de signaux optiques. Quelle est la communication la plus rapide possible? Vitesse de la poste : 1 à 300 m/s Vitesse du son : 340 m/s Vitesse de la lumière : 300000 m/s Fibres optiques : un fil en verre ou en plastique fin et flexible qui a la propriété de conduire la lumière (1964, Charles Kao, prix Nobel de physique 2009) 10 à 40 Gigabit pro seconde (1000 fois la capacité d’un cable électrique) Problème: les signaux optique sont rediriger à l’aide de l’électronique. On cherche à faire l’électronique avec la lumière. Les cristaux photoniques « Les sémi-conducteurs de la lumière » Certaines structures périodiques de matériaux diélectriques ou métalliques Exemple à une dimension : multicouche de deux matériaux A une certaine longueur d’onde les ondes réfléchies interférent constructivement et conduisent à une grande reflectivité. La lumière de cette longueur d’onde ne peut pas passer Analogie avec les semiconducteurs Longueur d’onde bandes d'énergie autorisées bandes d'énergie interdite bandes d'énergie autorisées Exemples à d’autre dimensions Applications? Comme pour les sémicondcuteurs : ce sont les défauts (le dopage) qui sont le plus intéressants Défaut de ligne Défaut ponctuel: Guide d’onde Cavité optique (mémoire optique!) La nature a déjà y pensé Opale: microbilles de silice arrangées plus ou moins périodiquement la périodicité des billes = la moitié de la longueur d'onde de la lumière (entre 200 et 400 nm) papillon ver marin : Aphrodita Un autre effet papillon Distance de 200 nm
