В современных высоких технологях нет более значимого изобретения, чем транзистор, созданный 64 года назад. Практически все электронные устройства, существующие сегодня, оснащены транзисторами: мобильные телефоны, компьютеры, бытовая техника, автомобили, космические корабли и медицинские приборы. Полевой транзистор – самый маленький двухпозиционный переключатель в мире. С его помощью в компьютерах обрабатывается информация; именно он проложил дорогу цифровым технологиям. Первый транзистор (его размеры были достаточно велики), созданный в 1947 г. в лабораториях Bell, собирали вручную. Сегодня более 6 млн транзисторов Tri-Gate от Intel можно уместить в точке, напечатанной в конце этого предложения.
Улучшение свойств транзисторов потребовало новых инноваций. Одними из последних выдающихся решений стали структры, созданные Intel на основе использования напряженного кремния (2003 г.) металлических затворов и подзавторного слоя на основе диоксида гафния (High-K, 2007 г.).
В мае 2011 г. Intel объявила об успехе в реализации транзисторов на оснвое трехмерной, а не плоскостной (планарной) организации.
Включить/выключить
Изобретение транзистора в 1947 г. стало одним из главных событий минувшего века. «Жучок», как любовно назвали его специалисты, вначале использовался лишь для усиления аудиосигналов. Поэтому в 50-е годы XX в. радиоприемники называли транзисторными, или «транзисторами». Но в самое широкое применение «жучки» получили имеено в виде двоичных переключателей (триггеров) микросхем.
Сотни миллионов транзисторов используются в чипах, на основе которых работает бытовая электроника. Ни один чип не сможет функционировать без них, и ни один компьютер – без таких чипов. Транзистор – главное технологическое достижение последних 60 лет.
Транзисторы в процессорах управляют хранением и обработкой кодированных единиц и нулей. Это используется для обработки текстов, воспроизведения DVD и демонстрации изображений. Транзистор на базе 22-нм техпроцесса выполняет 100 млрд переключений в секунду. Чтобы столько раз включить и выключить свет (со скоростью самого умелого человека), потребуется 2000 лет.
|
Gate |
Затвор |
|
Gate oxide |
Подзатворный диэлектрик |
|
Source |
Исток |
|
Channel |
Канал |
|
Drain |
Сток |
Изобретение транзистора приписывается трем сотрудникам лаборатории Bell: Джону Бардину (John Bardeen), Вальтеру Браттайну (Walter Brattain) и Вильяму Шокли (William Shockley). В 1956 году они получили Нобелевскую премию за заслуги в области химии. Название транзистору придумал Джон Р. Пирс (John R. Pierce), научный сотрудник знаменитой Bell Telephone Laboratories. В мае 1948 г. компания остановилась не его варианте – это было самое удачное название для изобретения, которому в тот момент насчитывалось шесть-семь месяцев от роду. Название является комбинацией слов «transconductance» (крутизна характеристики) и «variable resistor» («varistor») (переменный резистор, варистор).
Рок-н-ролл
В 1947 г. Бардин и Браттайн создали первый точечно-контактный транзистор. Чтобы ускорить его эволюцию, лаборатория Bell ввела лицензию на использование этой технологии. 26 компаний, включая IBM и General Electric, приобрели ее по цене $25000. Первое транзисторное радио (на основе 4-х транзисторов) появилось в октябре 1954 г. и породило музыкальную революцию (рок-н-ролл).
Интегральная схема
К концу 50-х гг. транзистор нашел применение в радио, телефонах и компьютерах, правда, хоть он и был намного меньше электронной лампы, размеры не позволяли создать новое поколение электронных устройств. В 1958 г. Джек Килби (Jack Kilby, Texas Instruments) и Роберт Нойс (Robert Noyceб Fairchild Semiconductor) обнаружили, что много транзисторов можно вместить в одну интегральную схему, или чип. У чипов было два преимущества: низкая стоимость и более высокие рабочие характеристики. Гордон Мур (Gordon Moore), совместно с Нойсом в 1968 г. основавший Intel, сделал в 1965 г. прогноз, известный как «закон Мура». Согласно ему количество транзисторов в чипе будет удваиваться каждые два года, что приведет к повышению вычислительной мощности. Множество мелких компонентов, разместившиеся на небольшой площади, стали тем фактором, который предопределил победное шествие чипа.
Производители чипа обеспечивали его экспоненциальный рост в течение 40 лет. Первый чип Intel (4004) был изготовлен в 1971 г. и содержал 2300 транзисторов. К 2000 г. процессор Pentium обладал 42 млн. транзисторов. А семейство Intel Core 2011 г. насчитывает около миллиарда транзисторов на одном кристалле.
Заигрывая с атомами
Для обеспечения экспоненциального роста согласно закону Мура транзисторы должны уменьшаться в два раза каждые 24 месяца. Это привело к тому, что толщина одного из важнейших элементов транзистора – слоя изоляции из диоксида кремния (SiO2) между затвором и каналом, по которому проходит ток – была доведена до предела. С каждым новым поколением чипов этот слой истончался: в 65-нм узле его толщина составляла лишь 1,2 нм, или 5 атомов. Инженеры Intel при всем желании просто не могли убрать хотя бы еще один атом. Тем более что по мере истончения изоляционного слоя увеличивался риск возникновения утечки тока в транзистор – в результате чип начинает потреблять все больше энергии и перегревается.
|
Metal |
Металл |
|
Silicon |
Кремний |
|
Invented SiGe Strained Silicon |
Изобретен напряженный кремний SiGe |
|
2nd Gen. SiGe Strained Silicon |
2-е поколение напряженного кремния SiGe |
|
High-k Metal Gate |
Металлический затвор High-k-Metal |
|
2nd Gen. Gate-Last High-k Metal Gate |
2-е поколение транзисторов с металлическим затвором High-k-Metal |
|
First to Implement Tri-Gate |
Представлен транзистор Tri-Gate |
|
90 nm |
90-нм (остальные цифры – аналогично) |
Фундаментальное ограничение
«Подтекающий» транзистор представлял проблему для промышленности. Решение было найдено: утолщение изоляционного слоя путем добавления атомов других материалов. В январе 2007 г. Intel объявила, что впервые за 40 лет изоляционный слой будет изготавливаться не из диоксида кремния, а из диоксида гафния. Это уменьшает утечки тока на 10 %. Гордон Мур назвал это решение «самым значительным изменением а строении транзисторов с конца 60-х годов».
3D: заново изобретенный транзистор
В мае 2011 г. Intel объявляет о нововведении в производстве транзисторов – их релизации на основе трехмерной структуры. Впервые с момента появления кремниевых транзисторов Intel начнет в массовое производство транзисторов с трезмерной конструкцией (Tri-Gate) в 22-нм чипе с кодовым названием Ivy Bridge.
|
Drain |
Сток |
|
Gate |
Затвор |
|
Source |
Исток |
|
Oxide |
Оксид |
|
Silicon Substrate |
Кремниевый субстрат |
3D Tri-Gate – это обновленная версия транзистора: на смену традиционному «плоскому» затвору с планарной структурой пришла невероятно тонкая трехмерная кремниевая пластина, устанавливаемая перпендикулярно кремниевому субстрату. Прохождение тока контролируют затворы, расположенные на гранях пластины: по два с каждой стороны и один сверху (в «плоских» транзисторах использовался только затвор сверху). Дополнительный контроль обеспечивает максимальную величину потока тока во включенном состоянии и приближенную к нулю – в выключенном. В результате сокращается потребление энергии и ускоряется их переключение.
