Современные транзисторы

Среди транзисторов можно выделить два основных типа - биполярный (1947г.) и полевой (70-е гг.) транзистор, которые отличаются друг от друга наличием прямого контакта к затвору, а также количеством и типом носителей заряда. За последние 30 лет развитие вычислительной техники связано с применением полевых транзи­сторов структуры "металл-оксид-полупроводник" (МОП-транзисторы или MOSFET - в зарубежной терминологии). Структура МОП-транзистора оста­ется фактически неизменной с момента открытия, изменению подлежат лишь материалы элементов транзистора и его размеры. Так, любой МОП-транзистор состоит из проводящих стока и истока (проводник), между которыми находится канал (полупроводник), управляемый затвором, отделенным от канала тонким слоем диэлектрика. На рис. 3 представлена схема современного транзистора, используемого в процессорах компании Intel.

Рис. 3.

В последнее время для автоматизации изготовления микропроцессоров с высокой плотностью транзисторов используется технология литографии. На поверхности кремния формируют сток и исток с зазором между ними, выпол­няющим роль канала. Поверх канала наносят тонкий слой диэлектрика или формируют оксидный слой путем окисления кремния. На слой диэлектрика напыляют затвор из проводящего материала. Сток и исток соединяют с другими транзисторами напыленными металлическими контактами, после чего вся поверхность покрывается слоем диэлектрика (оксид или нитрид кремния) для защиты от внешней среды.

При уменьшении размеров транзисторов повышаются требования к маскам для нанолитографии, к чистоте исходного полупроводникового кристалла (его бездефектности) и условиям, в которых происходит нанесение элементов транзи­стора на монокристалл полупроводника. Однако, помимо технологических труд­ностей, связанных с формированием тран­зисторов на монокристалле и проблемами создания соответствующих масок для литографии, существуют принципиальные ограничения, наиболее значимыми из которых являются квантовое ограни­чение и проблема локального перегрева ввиду избыточного тепловыделения на транзисторе.

2. Проявление квантовых эффектов

Постоянное уменьшение размеров транзистора постепенно приводит к необходимости создания частей транзистора, характерные размеры которых (например, длина канала) имеют толщину в несколько атомарных слоев. Так, для 65 нм технологии длина канала составляет 35 нм, что соответствует всего 70 параметрам решетки кремния.

Поскольку при последовательном уменьшении размера элементов все сильнее проявляются квантовые эффекты, возникает проблема переноса заряда путем гуннелирования электрона через потенциальный барьер ("закрытый" канал). Кроме того, при уменьшении размера канала уменьшается количество основных носителей заряда, что также накладывает ограничения на развитие полупроводниковой вычислительной техники.

Если длина канала еще может быть уменьшена, то для диэлектрика затвора возможности уменьшения уже сейчас фактически исчерпаны. Так, в 90 нм технологии толщина диэлектрика составляет всего 1,2 нм, что приводит к утечке за счет туннелирования и, как следствие, увеличению потерь энергии и тепловыделению. Для замены диоксида кремния было предложено использо­вать диэлектрики с большой диэлектрической проницаемостью, совместимые с кремниевой технологией (по параметру рассогласования с кристаллической решеткой кремния). Такой подход позволил уменьшить ток утечки, хотя и привел к технологической необходимости увеличения толщины диэлектриче­ского слоя до -3 нм ввиду больших параметров рассогласования структуры с решеткой кремния.

3. Проблема плотности энергии и теплоотвода

Увеличение плотности размещения транзисторов на чипе в соответствии с законом Мура ведет к пропорциональному увеличению тепла, выделяемого за счет сопротивления электрической цепи. Дальнейшее повышение интенсивности тепловыделения может воспрепятствовать нормальной работе процессора, что делает необходимым решение проблемы эффективного теплоотвода рассеянной энергии. На настоящий момент для теплоотвода используется воздушное охлаж­дение, однако применимость этого метода ограничена, особенно в мобильных (переносных) компьютерах.

4. Дефекты и ошибки

Несмотря на высокие исходные требования к бездефектности исходного кристалла, они постоянно продолжают расти. Кроме того, постоянно увеличива­ются требования устойчивости к так называемым мягким ошибкам - появлению носителей заряда в канале за счет ионизирующего излучения. В настоящее время увеличение быстродействия процессора происходит в результате:

• увеличения количества транзисторов за счет уменьшения их размеров;

• подбора новых материалов для исходного монокристалла и диэлектрика затвора;

изменения геометрии транзистора, например, отделение канала от основного кристалла полупроводника слоем оксида (silicon-on-insulator), позволяет повысить частоту переключения транзистора вплоть до I ТГц, а исполь­зование новой технологии формирования трехстороннего затвора (Tri-gate transistor) позволяет значительно улучшить эффективность работы транзи­стора и уменьшить количество ошибок ввиду большей однородности поля, прикладываемого к каналу через затвор. Принципиальная схема (а) и микрофотографии одноканального (6) и многоканального (в)

транзистора с трехсторонним затвором показаны на рис. 4.

Однако эти способы позволяют лишь отодвинуть предел возможностей полу­проводниковой технологии, но не полностью решить проблемы дальнейшего роста быстродействия ЭВМ. Несмотря на малый размер современных транзисторов, для проведения элементарных итераций используются законы "классической физики", в которой не используются квантовые эффекты. Однако для дальней­шего развития вычислительной техники необходимы принципиально новые решения. Наибольший интерес представляют молекулярная электроника, схемы на основе углеродных нанотрубок и квантовые компьютеры.

Рис. 4

5. Транзисторы на основе углеродных нанотрубок

Помимо уникального строения и механических свойств, углеродные нанотрубки обладают специфическими электронными свойствами. Так, в зависимости от хиральности структуры, они могут проявлять как металлические, так и полу­проводниковые свойства. Наиболее простым решением является использование нанотрубки, обладающей полупроводниковыми свойствами, в качестве канала в полевом транзисторе. На рис. 5 изображена подобная система, состоящая из нанесенных на оксидную пленку проводящих истока, стока и соединяющей их углеродной нанотрубки. В качестве затвора в этой схеме использован золотой электрод, также нанесенный на диоксид кремния.

Рис. 5.

Другая схема предполагает использовать слой проводящего кремния в качестве затвора (рис. 6). При комнатной температуре система ведет себя как обычный полевой транзистор, однако при понижении температуры до 4К она приобретает характери­стики одноэлектронного транзистора. Описанный подход позволяет значи­тельно уменьшить толщину канала, но размер транзистора будет изменен лишь незначительно из-за использования нанолитографии при создании прово­дящих частей. В связи с этим больший интерес представляет подход, основанный на переходе "металл-полупроводник" в пределах одной углеродной нанотрубки, или создание р-n перехода в точке контакта двух углеродных нанотрубок с разной хиральностью. Поскольку тип проводимости зависит от структуры нанотрубки, для создания в трубке р-п перехода необходимо изменение ее хиральности на определенном участке. Такое изменение возможно благодаря наличию дефектов в виде 5- и 7-членных колец.

На рис. 7 показаны некоторые из подобных дефеетов, обеспечивающих как изменение вектора хиральности, так и позволяющих менять диаметр нанотрубки. При этом две части трубки, обладающие различными атомарной и электронной структурами, образуют переход "металл-металл","металл-полупроводник" или "полупроводник-полупроводник". Именно эти переходы могут быть использованы в будущем для дальнейшего уменьшения компо­нент транзистора. "металл-полупроводник" обладает свойствами молекулярного диода. Помимо диода возможно создание р-п переходов, необходимых для конструирования более сложных систем, таких, как логические элементы. Кроме изменения типа проводимости в пределах одной нанотрубки, возможно создание перехода в области контакта двух углеродных нанотрубок.

Рис. 6.

Рис. 7.

В настоящее время на нанотрубках созданы диоды, транзисторы и простейшие логические схемы, что доказывает возможность их применения в электронике. Однако при создании более сложных систем возникают следующие проблемы:

• полученные стандартными методами углеродные нанотрубки представляют смесь как "металлических" нанотрубок, так и "полупроводниковых", которые практически невозможно разделить;

• последовательные операции с углеродными нанотрубками производятся с помощью атомно-силового микроскопа, технические решения массового производства схем на основе углеродных нанотрубок отсутствуют.

Лекция 8.

КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ

Несмотря на проявление квантовых свойств при применении углеродных нанотрубок, предполагается, что общая архитектура процессоров на их основе и используемые алгоритмы решения задач не отличаются от используемых в современной полупроводниковой вычислительной технике. Такой подход также имеет предел развития из-за ограничения минимальных размеров элемента процессора и линейного роста производительности в зависимости от количе­ства транзисторов в процессоре. Совершенно иной подход реализуется в так называемых квантовых компьютерах.

Дата добавления: 2014-01-07