Tranzisztorok ma és holnap
Tranzisztorok ma és holnap
„Dokumentáció” - technikai információk az elektronikus alkatrészek. jellemzői építése különböző rádiós és elektronikus áramköröket. valamint dokumentációt, hogy hogyan működnek a szoftverfejlesztés és a szabályozó dokumentumok (GOST).
tartalomjegyzék
Mikroprocesszorok már annyira megszokott, hogy nem vagyunk eléggé érdekli a saját építése és üzemeltetése. Eközben a lezajló folyamatok a mikrokozmosz, az nagyon szórakoztató és érdekes.
Utazás a világ a félvezetők ígérkezik izgalmas és informatív, és kezdjük meg a tranzisztorok (és hogyan működnek), amelyek alapján a modern mikroprocesszor.
A működési elve a tranzisztor
Hagyományos sík tranzisztor egy parányi kovasav lemez dúsított p-típusú szennyeződés és az úgynevezett szubsztrát. A szubsztrát alakult két adalékolt régió dúsított n-típusú szennyeződés. Az egyik ilyen terület az úgynevezett lefolyó, és a többi - a forrás. A határterületek n-p fordulnak elő nagyon érdekes fizikai folyamatok: diffúzió miatt a mindennapok határ elektronok n ugrás régiók a p-gazdag régióban szabad lyukakat. Nem, és egy pár lépést, az elektron „esik” az első úton lyuk. Ha sikerül kiugrani, rögtön elfogott egy másik szabad lyuk (és szabad lyukak a p-domén egy csomó). Néhány ilyen lyukak nyomás alatt diffúz körülmények megzavarta otthonaikból és kivándorol a n-obdasta, ahol már vár tömeget „éhező” elektronok, és miután egy rövid rekombináció itt nincs se lyuk, sem az elektronok (mondjuk, az elektronok nem tűnnek el, de üti a lyukak, elvesztik a mobilitás és megszűnik a szabad).
Így a terület határait n-p-szegényített zóna alakul ki, amelyben nincsenek töltéshordozók, és mivel az áram közötti forrás és nyelő lehetetlenné válik. Annak érdekében, hogy utalja át a díjat tranzisztor, a tervezők kellett hozzá egy harmadik elektróda - egy záró eszközt. Ellentétben bipoláris tranzisztorok eszközök, hűen szolgált egy hazai háztartási készülék a nyolcvanas évek óta, a kapu nincs elektromosan kapcsolódik a p-típusú régió, és attól elkülönítve egy vékony szigetelőréteg (mint általában egy szilícium-oxid). töltésátviteli szabályozzuk nem elektromos áram, és az elektromágneses mezőt. Alkalmazásával pozitív potenciál a kapu a által létrehozott elektromágneses térbe kiszorítja mély lyuk a szubsztrátum és megfeszíti a kiürített rétegben, elektronok n-környező régiók. Rövid idő múlva a tér között, a n-régiók telített szabad töltéshordozók, így a kapu tartomány van kialakítva Telített csatorna, amely képes vezetik a villamos áram akadálytalan. Ez az állapot a tranzisztor hagyományosan úgynevezett nyitott. Ha a kapu potenciálját eltűnése csatorna gyorsan eltömődött lyukak felemelkedett a p-réteg. Az elektronok esik át a lyukakat, és a csatorna vezetésük kezd drasztikusan csökkenni. A végén, a csatorna megsemmisül, és a tranzisztor átkapcsol a zárt (reteszelt) állapotban.
A kilátások a használatát tranzisztorok
Ábra. 1
Photo tranzisztor használata a 90 nm-es folyamat. Mint látható, ebben az esetben a kapu szélessége lesz csak 50 nm
Ha nézni a tranzisztor oszcilloszkóppal, azt látjuk, hogy a lezárás nem fordul azonnal eltűnése után lehetséges a kapu, és egy idő után. Ez azért van, mert a csatorna telített elektronok nem azonnal „oldódnak”, és legfeljebb a befejezése a folyamat közötti rekombináció tranzisztor elektródok továbbra is parazita áram. úgynevezett szivárgó áram (Off-state szivárgás).
Ahhoz, hogy a magasabb tranzisztor kapcsolási sebesség, akkor akár az üzemi feszültség emelkedése, vagy csökkentse a vastagsága a hordozó. Sőt, mint tudjuk, a középiskolai fizika Természetesen a jelenlegi egyenesen arányos az alkalmazott feszültség, ezért minél nagyobb a stressz szolgálunk, annál több szabad média szükség a mozgatásához, és ennek következtében gyorsabb „megoldja” a parazita csatornát. Természetesen, a növekedés a tápfeszültség vezet elkerülhetetlen növekedése által felemésztett teljesítményt a tranzisztor, és okoz egy sor kellemetlen fizikai hatások.
Mérlegelése után minden előnye és hátránya az Intel mérnökei úgy döntöttek, hogy menjen egy másik utat. Elhagyva az értéke üzemi feszültség önmagában (pontosabban, akár csökkentve azt a 0,85 0,8-0,75 B), ők irányítják intelligens vihar vágott schinu-tol p-csatornás, hogy ésszerű fizikai minimális. Ha korábban adalékolt drain irányában, és a forrás maga letétbe közvetlenül a szubsztrátra, mintegy oltatlan-akceptor szennyező, az új generációs tranzisztorok fordult a szubsztráttól szilícium-oxid-réteg, amely szerepet tölt be szigetelő. Parazita töltés, többnyire felhalmozódott a p és az n-a-domének, most kényszerülnek, hogy elfogadják azt a tényt, hogy az ő tulajdonát területen jelentősen csökkent, és így csökkent, és magát a töltést!
Ábra. 2
SOI-tranzisztor (felső) és DST-tranzisztor (alul). A DST oxidfilm szorosan nekinyomódik a szubsztrát
A cég szerint az Intel, a szilícium-szigetelő technológia (SOI - Silicon On Insulator) tranzisztorok növeli a sebességet mintegy 25% -át, és - ami a legfontosabb - nem igényel jelentős változások a termelési folyamatban. Továbbfejlesztése ennek a gondolatnak létrehozásához vezetett DST tranzisztor (kimerült Substrate Transistor), préselt szorosan hozzáragasztva a hordozóhoz, és a rekord, amelynek keskeny csatorna szélessége.
Sajnos, csökkentve a csatorna szélességének telített kell fizetni, hogy növelik ellenállást, azaz a jó teljesítmény elérése érdekében az üzemi feszültség értéket növelni kell. akkor valóban igaz példabeszéd „egy kúra, és egy másik nyomorék.” Nem akarja emelni az üzemi feszültség, a tervezők kezdték felfedezni más módon megkerülni ezt a problémát, és képzeld, nem találták meg! A megoldás egyszerű volt, mint minden ragyogó: csak növeli a magasságát a adalékolt forrás / draintartomány sikerült csökkenteni a telített csatorna ellenállása akár 30%.
Ábra. 3
A szokásos SOI-tranzisztor (felső) és SOI-tranzisztor fokozott magassága adalékolt régiók (alsó)
Lehet, hogy észrevette, hogy a terület a zárszerkezet az ábrán látható, mintha „fulladt” belül a tranzisztor, míg a kapu előtt volt található a felső szélén a adalékolt régiók. Növelve a magassága adalékolt régiók beállítása nélkül exponáló helyzetben képződéséhez vezet eredeti „pincében”, amely pelyhesítő lyukak kilökődik elektromágneses tér a kapu csatorna régióban. Képletesen szólva, hogy rendezi az alján a csatorna-il, és bizonyos körülmények között repül felfelé, ahol a tranzisztor viselkedik nem rendeltetésszerűen. Mivel az állam „alsó réteg” erősen függ a fajta és típusú előző műveletek tranzisztoros viselkedés válik gyakorlatilag ellenőrizhetetlen. Leejtése le exponáló, a tervezők elérték, hogy a közeli alsó tartománya a csatorna vált teljesen „mosott” exponáló elektromágneses mező, így a töltött részecskék tiszta felszívódott a folyamat a nyitó / záró a tranzisztor.
By the way, ha beszélünk a folyamat nyitó / záró a tranzisztor, érdemes felidézni a káros hatások kemény sugárzás. Nagy energiájú kozmikus sugárzás (valamint a hírhedt sugárzás) mélyen behatolnak a szubsztrát, és ütköznek rácsos atomok. Ha a rúgás elég erős ahhoz, hogy törölje a vegyérték elektronok a saját op-bitaley, egy bizonyos számú ingyenes töltéshordozók amely létrehoz egy rövid ideig a telített csatorna tranzisztor, és állapotától függetlenül a tranzisztor kapu kinyílik. Hamis tranzisztorok egy rendkívül negatív hatást gyakorol a stabilitás és a megbízhatóság a számítógépes rendszer.
Egy vékony réteg szigetelő, amely elválasztja a SOI-dotált a tranzisztor a szubsztrátumból, egy leküzdhetetlen akadályt minden ionizált részecskék által generált kozmikus sugárzás vagy sugárzást, és így egy ilyen tranzisztor merevebb és rezisztensek a besugárzásra, mint a ősök. Természetesen, ha a gamma-kvantum esik a terület között a lefolyó és a forrás, a tranzisztor van nyitva. Azonban a valószínűsége egy ilyen esemény rendkívül kicsi.
Egy másik alapvető javulást az új generációs multiplex tranzisztorok csökkentésére nézve szivárgási áram a kapunál régió (nem tévesztendő össze a már megvizsgált szivárgási áram a forrás és a drain). Mint egy szigetelő elválasztására a kapu a telített csatornán, egészen mostanáig használt a legvékonyabb vastagsága a szilícium-oxid a film 0,8 nm (összehasonlítás: a méret a tranzisztorok magukat az utolsó generációs 30 nm). Ez a vékony film választottuk Ezért, valamint az irányadó célja a fejlesztők nem is voltak a tranzisztor mérete és csökkenti a működési feszültség.
Persze vannak jobb szigetelők, de okozhat mikron alatti szigetelő fóliát szilíciumlap az összes technikai követelményeket a processzor sokkal nehezebb, mint nyomni a kötelet a tű fokán, és a fejlesztés ezt a technikát igényel sok mentális, fizikai és pénzügyi költségeket. Nem meglepő, hogy az alkotók a tranzisztor késleltetett szilícium huzalok visszavonul, amint lehetett. De itt van a fordulópont: Intel bejelentette a tranzisztorok alapján a stroncium-oxid dielektromos állandója 6,4-szer nagyobb, mint a szilícium-oxidot tartalmaz. Kész formában oldatban néz nevetségesen egyszerű: kezdetben letétbe helyezett egy szilícium felületen stroncium-kloridot (ZrCl4), és akkor küldi a hagyományos vízgőz jet. Hatása alatt a magas hőmérsékleten a molekulák a két anyag telepítettek, és az így kapott hidrogén-ionok csapdába kloridionmentesre. Stroncium-ionokat, viszont kombinálni oxigénnel képez egy nagyon szükséges mi oxid. Azonban, ha nem tesznek semmilyen intézkedést azonnali eltávolítására a hidrogén-klorid a reakció zónában oxid történik a fordított folyamat - hatása alatt sósav, akkor visszatér a klorid!
Ábra. 4
iszap felhalmozódása a természetes csatornán régió (fent) lehet kerülni, ha az alsó kilincs lefelé (alsó)
Napfény a stroncium-oxid jelentősen növelheti a dielektromos vastagsága, miközben egyidejűleg csökkenti a nagysága a működési feszültség. Különösen a vastagságának növelésével a dielektromos hat és félszer megkapjuk pontosan ugyanazt a kapacitást, amely szilícium-dioxid 0,8 nm, de a szivárgási áram csökken mintegy tízezerszer!
Végül, a kurzus az evolúció tranzisztorok folyamatosan csökken a mérete, egyrészt, hogy csökkentette a folyó által fogyasztott őket, és egy másik - nőtt a sebességet. Nos, ez logikus: minél kisebb mennyiségű adalékolt régiók, annál magasabb a reaktivitás és a szorosabb ezeken a területeken helyezkednek egymáshoz, annál kevesebb idő szükséges a jelenlegi keresztező forgalmas csatornát.
Ábra. 5
Formation stroncium-kloridot a felszínen a szilícium ostya
tranzisztorok jövő
Által végzett kutatások az Intel, azt mutatta, hogy leküzdésében a mérföldkő a 30 nm-es, a kapu szivárgási áram drámaian növekszik, és a további csökkentése mérete planáris tranzisztorok találkozik leküzdhetetlen fizikai korlátokat. Úgy tűnik, hogy a sík technológia elérte korlátait, és a tranzisztorok a jövőben növekedni nemcsak belső, hanem a szélessége!
A változások érintették a geometria a másik két elektróda a tranzisztor. Hogy megkönnyítse a támogatása a jelenlegi felületein a forrás és a nyelő magasságuk jelentősen megnőtt. Most villamosenergia már képes terjedni nem csak a „tető”, hanem az oldalfalak a rögtönzött „felhőkarcoló”. Meg kell jegyezni, hogy egy ilyen intézkedés nem csak csökkenti a veszteségi hő kimeneti tranzisztor, hanem csökkenti a minimális működéséhez szükséges áram a tranzisztor.
Ábra. 6
Kettős háromdimenziós tranzisztor a triple gate
Egy másik fontos tény: egy új generációs tranzisztorok épül egy szigetelő nem (mint ahogy az tranzisztorok S0I), és egy ultra-vékony rétegben egy teljesen kimerült szilícium, amit ooespechivaet további csökkentése szivárgási áram, és lehetővé teszi a gyorsabb kapcsoló tranzisztor akkor is, ha a tápfeszültség jelentősen csökken.
Ily módon egy hármas kapu technológia lehetővé teszi Ultrasmall tranzisztorok, ami még nagyobb teljesítmény és az alacsony energiafogyasztás. Sőt, a termelés a háromdimenziós tranzisztor elég kemény most meglévő litográfiai folyamatok, azaz, hogy egy új gyár, eleinte a termelés, ez nem szükséges.
További plusz a háromdimenziós architektúra az a képesség, hogy hozzon létre többcsatornás tranzisztorok, egy kapu a, amely arra szolgál több elektródát egyszerre. Szabályozásával áramátmenettel közötti több pár forrásból / mosogatók, mint egy tranzisztor lehetővé teszi egy mozdulattal, hogy hozzon létre egy több telített csatornák egyenletesen elosztott egy aktuális áthaladó őket. Többcsatornás építészet leegyszerűsíti a sűrűbb elrendezését tranzisztorok egy chip, és növeli a kapacitását mindegyikre.