ление тепла при их р аб о те
(рис. 1
). П р а -
вило здесь простое: чем м еньш е тр а н -
зистор, тем выше его тепловыделение и
больш е ток утечки. П очем у так прои с-
ходит, разберем ся чуть позже, а пока.
..
Ликбез по транзисторам.
■У
Транзистор
(применительно к мик-
ропр оцессор ной технологии) — эта пр о-
стой электронный переклю чатель, ра-
Транзистор в поперечном разрезе
Рис.2
б отаю щ и й в режиме включен/выключен
(рис. 2).
Текущий поток электронов (ток)
о т истока к стоку определяется тем, вы-
сокое или низкое напряж ение подает-
ся на за тв о р тр ан зи стор а. В общ ем ,
тр ан зи с тор в н е котор ом род е (но не
полностью ©!) подобен выклю чателю в
сети освещ ения, в зависим ости ат по-
ложения кнопки которого (включена или
выключено) подается электрический ток
на лам пу или нет.
^
Исток
— часть транзистора, отку-
да течет поток электронов. И сток состо-
ит из легированного кремния, который
содержит некоторы е примеси, сниж аю -
щ ие его электрическое сопротивление.
Сток
— часть транзистор а, куда
поступает поток электронов (или дырок,
при ды рочной проводимости;
дырка
атом, «потерявш ий» один из электронов
и получивш ий по этой причине полож и-
тельный заряд). С то к легирован приме-
сями, такими же, как и исток, а значит,
они о б л ад аю т одинаковы м типом п р о -
водимости.
Таким образом , исходя из выш есказан-
ного, делаем, вывод, что транзистор, если
м ожно так выразиться, симметричен — те-
кущий поток электронов поступает как от
истока к стоку, так и наоборот!
^
Затвор
— область в верхней час-
ти транзистор а, состояние которой о п -
ределяет, включен тр ан зи стор или вы-
ключен З а тв о р изготавливается из по-
ликристаллического кремния, в котором
атом ы располож ены случайным о б р а -
зом, а не выстроены по типу п р о стр ан -
ственной решетки.
к' Канал
— область между истоком и
стоком, где проходит поток электронов,
если транзистор находится во включен-
ном состоянии. Канал состоит из кристал-
лического кремния, атомы которого вы-
строены в пространственную решетку.
^
Диэлектрик затвора
— тонкий слой,
расположенный ниже затвора и изоли-
рующий затвор от канала. В выпускае-
мых сейчас процессорах он делается из
диоксида кремния — м атериала, молеку-
лы которого состоят из одного атом а крем-
ния и двух атом ов кислорода. Э то хоро-
ший изолятор (т.е. диоксид кремния не яв-
ляется проводником электрического тока).
^
Утечки
— поток электронов, п р о -
ходящ ий через диэлектрик затвора. В
идеальном случае диэлектрик за тв о р а
действует как соверш енны й изолятор.
Н о поскольку этот слой очень тонкий,
через него происходят значительные утеч-
ки. В результате этого транзистор п о -
требляет бол ьш ее количество м о щ н о -
сти, чем необходимо, поскольку его экс-
плуатационные характеристики н ар уш а-
ются. Здесь напраш ивается аналогия со
сломанны м краном, из которого посто-
янно капает вода (кран «протекает»), —
это просто очень расточительно.
v' Транзистор N M O S
(так назы вае-
м ого n-типа (от ф ранцузского negative —
отрицательный), с электронной п р о во -
димостью) — это транзистор, который
включен, когда на затворе вы сокое н а-
пряжение (больш ая разность потенц иа-
лов), и выключен, когда низкое. (Здесь
Intel предлагает для наглядного прим е-
р а представить кран, из которого н а -
чинает течь вода при пово р о те рукоят-
ки по часовой стрелке.)
Принцип действия транзистора
PM OS
(так назы ваем ого p -типа (от ф ранцуз-
ского positive — положительный), с ды-
рочной проводим остью ) пр оти вопол о-
жен транзистор у п типа, т.е. транзистор
выключен, когда на затворе высокое на-
пряжение, и включен, когда низкое.
•S
Пороговое напряжение
— некото-
рый уровень напряжения между вы со-
ким и низким, по котором у определяет-
ся, является ли тр ан зи стор выклю чен-
ным или включенным. В случае тр ан зи -
стор а N M O S : когда на его затво р е н а -
пряжение выш е порогового уровня, он
включен, а если ниже — выключен. У
P M O S -транзи стор а все, соответствен-
но, наоборот.
Т ранзисторы р а зр аб а ты в аю тс я для
использования при довольно низком п о-
роговом напряжении, так как это при-
водит к достиж ению их высоких эксплуа-
тационны х характеристик!
•У
C M O S (Complementary Metal O x -
ide Semiconductor)
— технологический
процесс, применяемый при изготовле-
нии современных логических микросхем,
в том числе таких, как м икр опр оцессо-
ры и микросхемы с транзистор ам и ти-
пов N M O S и P M O S . Технология C M O S
позволяет обеспечить высокие эксплуа-
тационны е характеристики и невысокое
энер гопотреб ление чипов при низкой
цене производства.
Теперь, как и бы ло о б е щ ано , о п р о -
блем ах, вы званны х м ини атю ри зац и ей
транзисторов. Да, при м ассов ом п р о -
изводстве транзисторы с меньшими р а з-
м ерам и обходятся деш евле, да и р а б о -
таю т быстрее, но.
..
Как мы сказали выше, для изоляции
затвора (электрода, управляю щ его вклю-
чением и выключением транзистор а) о т
канала используется диэлектрик (попро-
сту говоря, изолятор). О д нако очень важ-
но то, что для достижения высоких экс-
плуатационны х характеристик тр ан зи -
стор а (высокой скорости его «переклю -
чения») необходим очень тонкий слой
диэлектрика затвор а. Н о это, в свою
очередь, порож дает немаловаж ную про-
блему, которая заклю чается в том, что
чем тоньш е слой диоксида кремния, тем
выше ток утечки, проходящ ей через изо-
лирую щ ий слой!
С вой ства диэлектрика затвора о к а -
зы ваю т ре ш аю щ е е влияние на р аб оту
транзи стор а. П оследние лет тридцать
электронной пром ыш ленностью в каче-
стве основного м атериала для диэлек-
трика затво р а использовался упомяну-
тый нами диоксид кремния. Э т о обуслов-
лено технологичностью данного м ате-
риала, позволявш его достигать система-
тического улучшения характеристик тран-
зисторов по м ере уменьшения их разм е-
ров. Н а сегодняшний день в транзисто-
рах, изготавливаемых на предприятиях
корпорации Intel, толщ ина слоя диэлек-
трика затвор а из диоксида кремния со-
ставляет всего
1
.2 наном етра
(рис. 3)
Э т о около пяти атом арны х слоев! Ф ак-
Рис.З
тически инженеры-разработчики уже при-
близились к пределу для данного изоли-
рую щ его м атериала. В результате даль-
нейш его уменьшения сам ого транзисто-
р а и, как следствие, сужения слоя диок-
сида кремния ток утечки через диэлек-
трик затвора значительно возрастет. Это,
в свою очередь, приведет к сущ ествен-
ным утечкам тока и избыточному тепло-
выделению микросхем. П о оценкам экс-
пертов корпорации Intel, в современных
чипах уже почти 4 0 % энергии теряется
из-за утечек! Сунлинь Чж оу (Sunlin Chou),
старш ий вице-президент корпорации In-
tel и генеральный менеджер подразде-
ления T e c h n o lo gy an d M a n u factu rin g
G roup, в частности, заявил: «В области
полупроводникового производства дол-
гие годы считалось, что тепловыделение
и токи утечки являются ф ундаментальной
преградой для дальнейш его развития ин-
дустрии в соответствии с законом М у р а
и с использованием сегодняшних тр ан -
зисторных м атериалов и структур. П е -
ред отрасл ью давно стоит глобальная
задача разр аб отки и внедрения новых
м атериалов взамен диоксида кремния,
находящегося на пределе своих возм ож -
ностей. Реш ение этой задачи по степе-
ни важности иногда сравниваю т с соз-
данием искусственного сердца». П о по-
воду токов утечки транзистор а возм ож -
на аналогия с тем же, уже приводившим-
предыдущая страница 19 Мой Компьютер 2004 52 читать онлайн следующая страница 21 Мой Компьютер 2004 52 читать онлайн Домой Выключить/включить текст