Tranzistorii astăzi și mâine
„Documentație“ - informații tehnice privind utilizarea componentelor electronice. caracteristici de construcție a diferitelor radio și circuite electronice. precum și documentația cu privire la modul de a lucra cu ingineria software și documente de reglementare (GOST).
Cuprins
Microprocesoarele au devenit atât de familiare că nu suntem destul de interesați în construcția și funcționarea acestora. Între timp, procesele care au loc în microcosmosul, este extrem de distractiv și interesant.
Călătorie în lumea de semiconductori promite să fie interesant și informativ, și vom începe cu tranzistori (și modul în care acestea funcționează), care stau la baza oricărui microprocesor moderne.
Principiul de funcționare a tranzistorului
tranzistor planar convențional este o placă minuscul silicic îmbogățit cu p-tip de impurități și numit substrat. Substratul format din două regiuni dopate îmbogățit n-tip de impuritate. Un astfel de domeniu este numit un canal de scurgere, iar celălalt - sursa. La zonele de graniță ale n-p au loc procese fizice foarte interesante: difuzie din cauza electronilor de frontieră din regiunile omniprezente n-sări în p-regiune, bogate în găuri libere. Oare nu și un cuplu de pași, electronul „cade“ în prima gaura pe drumul său. Dacă el reușește să sară, el a capturat imediat o altă gaură liberă (și găuri libere în p-domeniul mult). Unele dintre aceste găuri în condiții difuze presiune perturbate din casele lor și emigrează în n-obdasta în cazul în care acestea sunt deja în așteptare mulțimi „foame“ de electroni, iar după o scurtă recombinare are aici nici găuri, nici electroni (să zicem, electronii nu dispar, ci lovind găuri, își pierd mobilitatea lor și încetează să mai fie liber).
Astfel, la limitele zonei se formează o zonă n-p-sărăcit în care nici un purtător de sarcină, și pentru că fluxul de curent între sursă și scurgere devine imposibilă. Pentru a transfera tranzistorul taxa ar putea, designerii a trebuit să adauge un al treilea electrod - un dispozitiv de închidere. Spre deosebire de dispozitivele de tranzistori bipolare, cu fidelitate servit într-un aparat de uz casnic intern deoarece optzeci, poarta nu este conectat electric cu regiunea de tip p și separat de acesta printr-un strat izolator subțire (așa cum este de obicei un oxid de siliciu). de transfer de sarcină este controlat, nu curent electric, și câmpul electromagnetic. Prin aplicarea unui potențial pozitiv la poarta câmpului electromagnetic creat de dislocuit gaura adânc în substrat și înăsprește stratului de epuizare, electroni din regiunile înconjurătoare n. După un scurt timp spațiul dintre n-regiuni saturate purtatori de sarcina, care rezultă în regiunea poarta este formată saturată canal capabil de a conduce un curent electric este nestingherit. Această stare a tranzistorului este numit în mod convențional deschis. Când canalul potențial dispariția poarta colmatate rapid găuri înălțate din p-strat. Electronii cad prin găurile și conductanța canalului începe să scadă dramatic. În final, canalul este distrus, iar tranzistorul trece în starea închis (blocat).
Perspectivele pentru utilizarea tranzistoarelor
Fig. 1
fototranzistor pentru utilizare în procesul de 90 nm. După cum puteți vedea, în acest caz, lățimea poarta va fi doar 50 nm
Dacă urmăriți tranzistor cu un osciloscop, putem observa că închiderea sa nu se produce imediat după dispariția potențialului porții, și după un timp. Acest lucru se datorează faptului că canalul este saturat electronii nu se poate instantaneu „dizolva“, și până la finalizarea procesului de recombinare între electrozi tranzistor va continua fluxul de curent parazit. numitul curent de scurgere (Off-stat Scurgeri).
Pentru a obține o viteză mai mare de comutare tranzistor, putem fie crește tensiunea de operare, sau de a reduce grosimea substratului. Într-adevăr, după cum știm de la curs de fizica școală, curentul este direct proporțională cu tensiunea aplicată, și, prin urmare, cu atât mai mare stresul ne servi, mass-media mai liberă este necesară pentru a muta și, în consecință, mai rapid „rezolvă“ un canal parazitare. Desigur, creșterea tensiunii de alimentare duce la o creștere inevitabilă a puterii disipate de tranzistor și provoacă o întreagă serie de efecte fizice neplăcute.
După cântărire toate argumentele pro și contra inginerii Intel au decis să meargă un alt mod. Lăsând valoarea tensiunii de operare în monoterapie (mai precis, chiar și prin reducerea acesteia de la 0,85 până la 0,8-0,75 B), ele sunt orientate inteligent furtuna cut schinu-tol p-canal la minim fizic rezonabil. Dacă dopate anterior regiune de scurgere și sursa de sine depus direct pe substrat, aproximativ nestins-acceptor de impurități, noua generație de tranzistori transformat separat de stratul de oxid de substrat de siliciu, care are rolul de izolator. taxa parazitara, cea mai mare parte a acumulat la p și domeniile n-de-, sunt acum obligați să accepte faptul că domeniul său posesiunile a scăzut în mod semnificativ, și, astfel, a scăzut și taxa în sine!
Fig. 2
SOI-tranzistor (sus) și DST-tranzistor (jos). La ora de vară film de oxid este strâns presată pe substrat
Potrivit companiei Intel, tehnologia de siliciu pe izolator (SOI - Silicon On Insulator) tranzistori crește viteza cu aproximativ 25%, și - cel mai important - nu necesită modificări semnificative în procesul de producție. Dezvoltarea în continuare a acestei idei a condus la tranzistorul de creare DST (Uzat Substrate Transistor), presate strâns pe substrat și o înregistrare având o lățime canal îngust.
Din păcate, reducând lățimea canalului saturate necesar să plătească o creștere a rezistenței sale, adică pentru a obține o bună performanță a valorii tensiunii de operare să fie crescută. apoi, într-adevăr adevărat zicală „un leac, și un alt infirm.“ Nu doresc să ridice tensiunea de operare, designerii au început să exploreze alte modalități de a rezolva această problemă, și imaginați-vă, le-au găsit! Soluția a fost simplu, la fel ca toate genial: crește doar înălțimea sursei dopat / scurgere regiune a reușit să reducă rezistența canalului saturat de până la 30%.
Fig. 3
Ca de obicei SOI-tranzistor (sus) și SOI-tranzistor cu o creștere a regiunilor de înălțime dopat (jos)
Este posibil să fi observat că suprafața obturatorul este prezentată în figură, așa cum au fost „înecat“ în interiorul tranzistor, în timp ce înainte de poarta era situat la marginea de sus a regiunilor dopate. Creșterea înălțimii regiunilor dopate fără a ajusta poziția obturatorului conduce la formarea de „subsol“ original, care găuri flocking ejectat câmpului electromagnetic din regiunea poarta de canal. Figurat, se depune pe fundul canalului-il și în anumite circumstanțe zboară în sus, prin tranzistorul se comportă nu așa cum doriți. Deoarece starea de „strat inferior“ depinde puternic de tipul și tipul operațiilor anterioare cu un comportament de canal tranzistor devine practic necontrolat. Dropping jos oblon, designerii au atins acea regiune apropiată de jos a canalului a devenit complet „spălat“ câmp electromagnetic de expunere, astfel încât particulele încărcate resorbită curate în procesul de deschidere / închidere a tranzistorului.
Apropo, dacă vorbim despre procesul de deschidere / închidere a tranzistorului, este util să se amintească de efectele nocive ale radiațiilor greu. raze cosmice (precum radiația notorii) de înaltă energie pătrund adânc în substrat, și se ciocnesc cu atomii cu zăbrele. Dacă lovitura este suficient de puternic pentru a goli electroni de valență de la respectiva lor op-bitaley, un anumit număr de purtători de sarcină liberi, care creează o perioadă scurtă de timp în tranzistorul canal saturat, și indiferent de starea de poarta tranzistor se deschide. tranzistori false de un impact extrem de negativ asupra stabilității și fiabilitatea sistemului informatic.
Un strat subțire de izolator care separa regiunea dopate SOI a tranzistorului de substrat, este o barieră de netrecut pentru toate particulele ionizate generate de razele cosmice sau radiații, și, prin urmare, un astfel de tranzistor este mai rigid și rezistent la radiatii decat stramosii sai. Desigur, în cazul în care cuantele gamma se încadrează în zona dintre scurgere și sursa, tranzistorul este încă deschisă. Cu toate acestea, probabilitatea unui astfel de eveniment este extrem de mic.
O altă îmbunătățire fundamentală a noii generații de mai multe tranzistoare ceea ce privește reducerea scurgerilor de curent la regiunea poartă (a nu se confunda cu curentul de scurgere deja luate în considerare între sursa și drena). Ca un izolator pentru separarea poarta din canalul saturat, până acum utilizat cel mai subțire grosimea de oxid de siliciu în pelicula de 0,8 nm (pentru comparație: mărimea tranzistori ei înșiși de ultimă generație este de 30 nm). Acest film subțire a fost ales ca un motiv, și o ghidare dezvoltatorii cu scop au fost nici măcar dimensiunea tranzistor și o reducere a tensiunii de operare.
Desigur, există izolatori mai bune, dar cauza de film submicronice izolator pe o plăcuță de siliciu cu toate cerințele tehnologice ale procesorului este mai dificilă decât să împingă coarda în ochiul unui ac, precum și dezvoltarea acestei tehnici necesită o mulțime de costuri mentale, fizice și financiare. Nu este surprinzător, că creatorii de tranzistor întârziat fire de siliciu se pensioneze imediat ce au putut. Dar aici e punctul de cotitură a venit: Intel a anunțat crearea de tranzistori pe baza de oxid de stronțiu constantă dielectrică este de 6,4 ori mai mare decât oxidul de siliciu. La terminat soluție sub formă de arata ridicol de simplu: depus inițial pe o suprafață de clorură de stronțiu siliciu (ZrCl4), iar apoi este trimis la un jet convențional de vapori de apă. Sub influența temperaturilor ridicate moleculele cele două substanțe sunt dislocate, iar ionii de hidrogen care rezulta sunt prinse ionii de clor. ionii de strontiu, la rândul său, se combină cu oxigenul pentru a forma un mare nevoie de noi oxid. Cu toate acestea, dacă nu luați nicio măsură pentru îndepărtarea imediată a acidului clorhidric din zona de reacție, oxidul se întâmplă un proces invers - sub influența acidului clorhidric, acesta va reveni la clorura!
Fig. 4
acumulare de nămol în regiunea canalului natural (de mai sus) poate fi evitată dacă este mai mică în jos dispozitivul de blocare (jos)
oxid de stronțiu lumina zilei poate crește în mod semnificativ grosimea dielectric, în timp ce scăderea simultană amplitudinea tensiunii de funcționare. În special, prin creșterea grosimii dielectricului ori de șase și jumătate vom obține exact aceeași capacitate, care dă silice 0,8 nm, dar curentul de scurgere este redus la aproximativ zece mii de ori!
În cele din urmă, în cursul evoluției sale tranzistori în scădere în mod constant în dimensiune, pe de o parte, aceasta a redus curentul consumat de ei, și cu un alt - a crescut viteza lor. Ei bine, este logic: mai mică cantitatea regiunilor dopate, cea mai mare reactivitatea lor, și mai aproape aceste zone sunt situate unul de altul, este necesar mai puțin timp pentru curentul care traversează un canal ocupat.
Fig. 5
Formarea clorurii de stronțiu pe suprafața plachetei de siliciu
tranzistori viitoare
Cercetarea realizată de Intel, a arătat că în depășirea piatra de 30 nm, poarta de scurgere curentul crește dramatic, și reducerea în continuare a dimensiunii de tranzistori plane întâlnește limite fizice insurmontabile. Se pare că tehnologia planară a atins limitele, iar tranzistoarele viitorului va trebui să crească, nu numai în interior, dar, de asemenea, în lățime!
Schimbările au afectat geometria altor doi electrozi ai tranzistorului. Pentru a facilita promovarea curentului pe suprafețele de sursă și de scurgere înălțimea lor a fost crescut în mod semnificativ. Acum energie electrică a fost în măsură să se răspândească nu numai pe „acoperiș“, dar, de asemenea, pereții laterali ai improvizat „zgarie-nori.“ Trebuie remarcat faptul că o astfel de măsură nu ar reduce numai disipate tranzistorul de ieșire de căldură, dar, de asemenea, reduce nivelul minim necesar pentru curentul de funcționare a tranzistorului.
Fig. 6
tranzistor dual dimensional cu poarta triplu
Un alt fapt important: o nouă generație de tranzistori construit pe un izolator nu este (așa cum a fost tranzistori S0I), și un strat ultra-subțire pe siliciu complet sărăcit că ooespechivaet reducerea suplimentară a curentului de scurgere și permite trecerea mai rapidă tranzistor chiar dacă tensiunea de alimentare este redus în mod semnificativ.
Astfel, o tehnologie triplă poarta permite tranzistori ultra mici, oferind performanță chiar mai mare și cu un consum redus de energie. Mai mult decât atât, producția de tranzistori tri-dimensionale destul de dure procese litografice existente acum, adică, pentru a construi o nouă fabrică, inițial axat pe producția lor, nu este necesar.
Un alt plus este arhitectura tridimensională este abilitatea de a crea tranzistori multi-canal, dintre care o poarta servește o multitudine de electrozi simultan. Prin controlul trecerea curentului între mai multe perechi de surselor / chiuvete, un astfel de tranzistor permite un accident vascular cerebral pentru a crea o multitudine de canale saturate distribuite uniform între un curent care trece prin ele. Arhitectura Multicanal simplifică sarcina de a structura mai densă de tranzistori pe un cip și crește capacitatea fiecăreia dintre ele.