تقنيات الإلكترونيات الدقيقة على الأصابع: قانون مور وتحركات التسويق ولماذا ليست النانومترية هي نفسها الآن. الجزء 2

في الجزء الأول ، درسنا باختصار فيزياء السيليكون وتكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة والقيود التكنولوجية. الآن دعونا نتحدث عن القيود المادية والتأثيرات المادية التي تؤثر على أحجام العناصر في الترانزستور. هناك الكثير منهم ، لذلك دعونا نذهب من خلال أهمها. هنا عليك أن تدخل في الفيزياء ، وإلا لا شيء.

إخلاء المسئولية: ذات مرة ، انخرطت في كتابة مقالات حول صناعة الرقائق ، وفي سلسلة المقالات "Inside Look" ، حتى أنني نظرت إلى داخلها ، أي الموضوع مثير للغاية بالنسبة لي. بطبيعة الحال ، أود أن يقوم مؤلف المقال الأصلي بنشره على حبري ، لكن فيما يتعلق بالعمل ، سمح لي بنقله هنا. لسوء الحظ ، لا تسمح قواعد Habr بلصق النسخ المباشر ، لذا أضفت روابط إلى مصادر وصور ونكت قليلًا وحاولت نص النص قليلاً. نعم ، وأنا أعرف وأحترم المادتين ( 1 و 2 ) حول هذا الموضوع من amartology .

الآثار المادية في الالكترونيات الدقيقة

ترتيب الكميات الأساسية للسيليكون

تركيز ذرات السيليكون في البلورة هو 10 ²² سم ^-3
تركيز الإلكترونات الداخلية والثقوب في درجة حرارة الغرفة - 10 ¹⁰ سم ^-3
تركيز ذرات النجاسة من مناطق مخدرة خفيفة - 10 ¹⁶ - 10 ¹⁸ سم ^-3
تركيز ذرات الشوائب من المناطق المخدرة بشدة - 10 ¹⁹ - 10 ²⁰ سم ^-3
تركيز ذرات النجاسة في مناطق مخدرة بشدة هو 10 ²¹ سم ^-3 . في هذه الحالة ، يتحدث المرء بالفعل عن أشباه الموصلات المتدهورة ، لأن مثل هذا التركيز (ذرة شوائب واحدة لكل 10 ذرات من السيليكون أو أقل) يغير بنية طاقة البلورة.

درجة الحرارة اعتماد خصائص السيليكون

من الجزء الأول نتذكر أنه في درجة حرارة الغرفة السيليكون النقي هو عازل. ينشأ زوج ثقب الإلكترون في حالة واحدة فقط من تريليون حالة ، لكن هذا الكسر يزداد باطراد مع زيادة درجة الحرارة. هناك شيء من هذا القبيل - درجة حرارة مضاعفة تركيز شركات الشحن الخاصة. بالنسبة للسيليكون ، فهو يقع في حوالي 9 درجات.

أي زيادة درجة الحرارة بمقدار 9 درجات ، تزداد النسبة المئوية لذرات السيليكون المتحللة مرتين. 18 درجة - 4 مرات ؛ 27 درجة - 8 مرات ؛ 36 درجة - 16 مرة ؛ 45 - 32 مرة ؛ 90 - 1024 مرة ؛ 180-10 ⁶ مرات ؛ 270-10 ⁹ مرات.


مقارنة التوصيل الحراري للنحاس والسيليكون والجرمانيوم. مصدر

عندما نحصل على درجة حرارة تصل إلى 200 درجة (حوالي 2.1 في الرسم البياني أعلاه) ، يصبح التركيز الجوهري لأزواج الفتحات الإلكترونية 10 ¹⁶ ، وهو ما يساوي تركيز الشوائب في الطبقات المخدرة بخفة. عند 300 درجة (~ 1.75) بالفعل 10 ¹⁹ ، هذا هو تركيز طبقات مخدرة بشدة (n + و p +). عند درجة الحرارة هذه ، يتحول السيليكون بالفعل إلى موصل وتفقد الترانزستورات قابلية التحكم.

ستبدأ المشاكل في وقت مبكر. درجة الحرارة في رقاقة غير مستوية. هناك مناطق التدفئة المحلية ، وعادة في منتصف الشريحة. إذا كانت درجة الحرارة في منطقة صغيرة تتجاوز 200 درجة ، ثم بسبب زيادة التوصيلية السليكونية ، يبدأ تيار التسرب في الزيادة. هذا يؤدي إلى مزيد من التدفئة ، وهذا يزيد من تسرب الحالي ويوسع منطقة الانهاك. تصبح العملية لا رجعة فيها و ... طفرة. وبلا رجعة. لذلك ، على جميع الدوائر الصغيرة الكبيرة ، يتم ضبط الحماية التلقائية ضد ارتفاع درجة الحرارة.

هذا هو السبب في أنه من المهم للغاية عدم السماح بالتسخين القوي للكريستال.

للمقارنة ، فإن تركيز الإلكترونات الداخلية والثقوب في نيتريد الغاليوم في درجة حرارة الغرفة هو عدة أوامر من حيث الحجم ، ودرجة حرارة مضاعفة عدد حاملات الشحنة الداخلية حوالي 25 درجة. المشاكل المذكورة أعلاه في نيتريد الغاليوم تبدأ في حوالي 600-700 درجة.

النفق الحالي

هذه الظاهرة معقدة وبسيطة في نفس الوقت. تكمن الجذور في الطبيعة الكمومية للإلكترون. يعيش الإلكترون وفقًا لقوانين الميكانيكا الكمومية ، التي لا يتم فهمها دائمًا من وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية. وفقًا لهذه القوانين ، فإن الإلكترون ليس مجرد جسيم ، ولكنه أيضًا موجة ، ويمكن حساب سلوكه فقط مع بعض الاحتمالات. هناك مثل هذه الصيغة Heisenberg:


ويسمى أيضا علاقة عدم اليقين هايزنبرغ . ويستنتج من الصيغة أن المعلمات المكانية للإلكترون لا يمكن تحديدها بدقة أكبر من قيمة معينة (ثابت بلانك). في الحالات القصوى للمعادلة ، إذا علمنا الموقع الدقيق للإلكترون ، فلن نعرف شيئًا عن سرعته واتجاه حركته. إذا كنت تعرف السرعة والاتجاه بالضبط ، فلن يُعرف أي شيء عن مكان وجوده. اتضح أن الإلكترون مثل هذه الجسيمات غير واضحة في الفضاء مع ذروة احتمال الوجود. في أي لحظة ، يمكن أن يكون الإلكترون في أي مكان في الكون دون أي تأثير خارجي. صحيح أن احتمال ظهوره بعيد جدًا عن الموقع الحالي صغير جدًا.

الآن تخيل هيكل المعدن - عازل - أشباه الموصلات ن نوع (MIS). في المعدن ، يساوي تركيز الإلكترونات الحرة تقريبًا تركيز الذرات (10 ²² / سم ³ ). لا يمكنهم اختراق عازل كهربائي ، لأن الإلكترونات من المعدن تعتبر منطقة من الطاقات المحظورة. داخل عازل ، ستبدأ موجة الإلكترون مع الطاقة كما في المعدن بالتدخل (التدمير الذاتي نفسه). ولكن يمكن أن تتحقق في أشباه الموصلات من نوع n ، حيث توجد بالنسبة لهم منطقة من الطاقات المسموح بها. تنتقل الإلكترونات من المعدن إلى أشباه الموصلات من خلال طبقة الأكسيد دون أي تأثير خارجي ، وذلك ببساطة بسبب طبيعتها الاحتمالية. هذا هو النفق الحالي . العملية نفسها تسمى الأنفاق ، أو الأنفاق الكمومية (تبدو أكثر برودة!).

تسمى الطاقة الإضافية التي يجب إضافتها إلى الإلكترون لاختراق "كلاسيكي" في الأكسيد بالحاجز المحتمل. من الناحية التخطيطية ، ينتشر الإلكترون عبر نفق عبر حاجز محتمل.



هناك تدفق في الاتجاه المعاكس - من أشباه الموصلات إلى المعدن. ولكن نظرًا لأن تركيز الإلكترونات الحرة في أشباه الموصلات يقل عدة مرات عن حجمها ، فإن التدفق العكسي يكون أصغر نسبيًا.

أشباه الموصلات من نوع p للإلكترونات من المعدن هي أيضًا مجموعة من الطاقات المحرمة. ومع ذلك ، فإن العملية العكسية ممكنة هنا - نفق إلكترونات التكافؤ من أشباه الموصلات إلى معدن مع ظهور ثقوب في السيليكون. يبدو أن الثقوب تنفق من المعدن. تكون الكثافة ، أي الأشياء الأخرى متساوية ، أقل بحوالي 10 أضعاف من نفق الإلكترونات الحرة.

تيار النفق للمسافات فوق 1 ميكرون يمكن إهماله. احتمال منخفض للغاية والتحولات نادرة جدا. مع انخفاض المسافة ، يزيد احتمال التحولات التلقائية بشكل حاد. على مسافات وحدات من نانومتر ، ينمو تيار الأنفاق 10 مرات عند الاقتراب من 0.2 نانومتر.

آلية مماثلة تعمل لطبقات السيليكون npn. بالنسبة للإلكترون الحر من المنطقة n ، فإن المنطقة p هي مجموعة من الطاقات المحظورة ، ولا تحدث انتقالات. لكن إذا كان عرض القاعدة p ضيقًا جدًا ، تبدأ الإلكترونات في النفق مباشرةً من المصدر إلى الحوض. هذا يحد الحد الأقصى النظري للعرض الأساسي إلى 8 نانومتر. في أحجام أصغر ، وبسبب تيار الأنفاق ، يصبح ترانزستور مصدر التصريف غير قابل للتحكم من حيث المبدأ.

بالنسبة لهياكل pnp ، يكون الوضع مشابهًا ، لكن ثقوب (إلكترونات التكافؤ) نفق.

في أشباه الموصلات المتدهورة (مخدر بشدة) في الفرقة من الطاقات المحرمة هناك جزر للطاقات المسموح بها. بالنسبة لهم ، خيار النفق عبر هذه الجزر ممكن. حول كيفية التغلب على تيار من خلال القفز على الصخور الشائكة.

منطقة الشحن الفضائية (SCR)

منطقة شحنة الفضاء (SCR) ، وهي أيضًا منطقة النضوب ، وهي أيضًا منطقة شحنة الفضاء - إنها طبقة مشحونة كهربائياً تتشكل عند حدود المنطقتين n و p.



ربط عقلي 2 قطعة من السيليكون ، واحد ن نوع ، والآخر ف نوع. يوجد في الطبقة n العديد من الإلكترونات الحرة ، في الطبقة p يوجد العديد من الثقوب ؛ وهي تتحرك بشكل عشوائي. ينتقل جزء من الإلكترونات الحرة إلى الطبقة p ، وهي جزء من الثقوب إلى الطبقة n. نتيجة لذلك ، تبقى الأيونات الموجبة غير المكافئة في الطبقة n ، ولا يتم تعويض الأيونات السالبة في الطبقة p. يظهر حقل كهربائي محلي على طول حدود المناطق ، والذي يبدأ في إعاقة المزيد من التحولات. تبلغ شدة المجال الحد الأقصى عند الحدود ، وتتناقص تدريجياً مع المسافة. في النهاية ، تصبح شدة المجال بحيث يتوقف نقل الثقوب والإلكترونات وتأسيس حالة توازن. بالنسبة للسيليكون ، تبلغ فولطية المجال الداخلي حوالي 0.5 فولت. يعتمد على تركيز النجاسة على كلا الجانبين. الاعتماد ضعيف ، حوالي 0.1 فولت عندما يتغير التركيز بمقدار 10 مرات.

بالإضافة إلى ظهور مجال كهربائي عند الحدود ، هناك انخفاض في تركيز الإلكترونات والثقوب الحرة. مباشرة عند حدود الطبقات إلى الصفر. ومن هنا جاءت تسميته الثانية - "المنطقة المنضب". يعتمد عرض هذه المنطقة على الجهد عند الانتقال وتركيز الشوائب. الاعتماد على تركيز الشوائب هو من الناحية التربيعية ، أي مع زيادة التركيز بعامل 100 ، ينخفض ​​عرض SCR بعامل 10 (في الواقع ، أقل قليلاً ، لأن الجهد عند الوصلة يزيد).

هذه حالة لا يتم فيها تطبيق الجهد الخارجي على الهيكل.

إذا قمت بتطبيق جهد خارجي ، فسيتم توجيهه إلى الداخل.



نحن نستخدم جهدًا صغيرًا للأمام على التقاطع ، أي بالإضافة إلى (+) إلى الطبقة p ، ناقص (-) إلى الطبقة n. يتم توجيه الحقول الخارجية والداخلية في اتجاهات مختلفة وتبدأ في تعويض بعضها البعض. يتم تقليل الجهد الانتقال وعرض SCR. عندما يصبح جهد المجال الخارجي أعلى من الداخل ، يختفي SCR ، يتم فتح تقاطع pn بالكامل. بالنسبة إلى ثنائيات أشباه الموصلات ، يوجد حتى حد عتبة الجهد. هذا هو الجهد الأمامي الذي يفتح الصمام الثنائي بالكامل.



الآن قم بتطبيق الجهد العكسي: ناقص (-) على الطبقة p ، بالإضافة إلى (+) على الطبقة n. إضافة الحقول الخارجية والداخلية ، وزيادة الجهد عند التقاطع وعرض SCR.

إذا نقلنا هذا النموذج إلى ترانزستور التأثير الميداني الخاص بنا ، فسنحصل على الصورة أدناه:



وردي فاتح يدل على المناطق المنضب (SCR). لقد وصلنا إلى أن العرض الحقيقي للقاعدة النشطة ، والتي يتم التحكم فيها بواسطة بوابة الجهد ، أقل من مسافة استنزاف المصدر. وهذا هو ، حجم القاعدة ناقص عرض التحولات SCR. في حالة عدم وجود جهد التيار الكهربائي ، يكون عرض SCR للمصدر والصرف هو نفسه. إذا قمت بتطبيق جهد التشغيل ، فإن عرض SCR للصرف يزداد ، لأنه يقع تحت التحيز العكسي. القاعدة النشطة تضيق أكثر:



إذا كانت القاعدة قصيرة جدًا ، يتم توصيل SCR للصرف والمصدر. يصبح عرض القاعدة النشطة 0 ، ومن خلال التدفق الحالي من الصرف إلى المصدر ، يفتح الترانزستور. بغض النظر عن الجهد على مصراع الكاميرا. الترانزستور يصبح لا يمكن السيطرة عليها. يسمى التأثير "ثقب أساسي" ( ملاحظة: كما لاحظ F376 بشكل صحيح ، على الأرجح ، نحن نتحدث عن "انهيار القاعدة").

لا يزال هناك خيار وسيط عندما لا يتم إغلاق SCR ، ولكن المسافة من المصدر إلى حدود SCR للجريان السطحي أقل من 8 نانومتر. ثم ، في SCR ، تبدأ الإلكترونات في النفق من المصدر. بمجرد وصولهم إلى SCR ، يتم إلقاؤهم في المجاري بواسطة حقل كهربائي. ببساطة ، سوف يتدفق تيار نفق لائق من المصدر إلى الصرف.

انهيار الانهيار

إذا أصبح الحقل الكهربائي داخل SCR مرتفعًا جدًا ، فإن الإلكترون الذي يطير فيه بطريق الخطأ يتسارع كثيرًا بحيث يزيل الإلكترون من ذرة محايدة. يظهر إلكترونان ، يسرعان مرة أخرى وينزعان الإلكترونات عن التالي ، إلخ. تشبه العملية انهيار جليدي ، وبالتالي الاسم. تظهر قناة موصلة في SCR يتم من خلالها التدفق الحالي. يفتح الترانزستور من تلقاء نفسه.

يمكن أن يحدث موقف مماثل في بوابة عازلة. إذا كانت شدة المجال أعلى من العتبة ، فإن الإلكترون "السريع" الذي يطير من المعدن يتسارع ويؤدي إلى انهيار جليدي.


مقارنة واضحة بين أنواع مختلفة من الانهيار. مصدر

لتجنب مثل هذا الانهيار الجليدي ، من الضروري منع شدة المجال الزائدة فوق قيمة الانهيار. شدة المجال = الإجهاد / الطول. أي من الضروري تقليل الجهد وزيادة عرض SCR (أو سمك العازل).

مناطق المقاومة الكهربائية

هذا هو بالفعل الهندسة الكهربائية الكلاسيكية. والصرف ، والمصدر ، والقناة ، وحتى المسارات المعدنية الموصلة لها مقاومتها الكهربائية الخاصة. المقاومة أعلى ، كلما زاد طول قطعة الأرض وأصغر مساحة المقطع العرضي.

لنفترض أننا جميع عناصر الترانزستور خفضت بنسبة 2 مرات. عن طريق تقليل الطول ، يتم تقليل مقاومة القسم بمقدار مرتين ، وبتقليل العرض والارتفاع يزيد بمقدار 4 مرات . في المجموع ، وهذا يعطي زيادة في مقاومة العنصر بنسبة 2 مرات . مع مرور التيار ، المقاومة تسبب انخفاض الجهد. بالنسبة إلى الفولتية الترانزستور في منطقة 1 فولت وتحت ، سيكون انخفاض الجهد الكهربائي أمرًا بالغ الأهمية.

بالنسبة للمعادن ، تم حل هذا السؤال ببساطة - أول طبقة ضيقة من المعدن تربط العناصر الموجودة داخل الخلية فقط. يتم إحضار كل شيء آخر إلى المستويات العليا من المعدن: هناك طبقة الأكسيد تكون أكثر سماكة والمسارات أوسع. ومع ذلك ، لا يمكن تقليل حجم نوافذ الاتصال والمسارات المعدنية.

بالنسبة لمناطق السيليكون ، تم تعويض زيادة المقاومة بزيادة تركيز الشوائب. على الأقل حتى وقت قريب ، حتى بدأت آثار النفق والانهيار في التأثير.

طريقة أخرى كانت تقنية "السيليكون الممدود" ، أو "السيليكون المجهد". جوهرها هو أن طبقة من الجرمانيوم تترسب على ركيزة السيليكون. الجرمانيوم عنصر من نفس المجموعة مثل السيليكون ، يشبه التركيب البلوري. ومع ذلك ، تكون ذرات الجرمانيوم أكبر ، على التوالي ، وتكون المسافة بينها في الشبكة البلورية أكبر. بعد ذلك ، يتم تشكيل فيلم رقيق من السيليكون الفوقي فوق الجرمانيوم. يبدأ السيليكون في الفيلم في تكرار التركيب البلوري للجرمانيوم ، وستكون خطوة الشبكة البلورية في الجرمانيوم وأكبر من السيليكون العادي. اتضح أن السيليكون ، كما كان ، ممتد في جميع الاتجاهات. ومن هنا الاسم. هذا يعطي زيادة في حركة الإلكترونات والثقوب.

التأثير المشترك للتأثيرات الجسدية

الآن النظر في آثار هذه الآثار معا.

التهديد الرئيسي في التصغير من الترانزستورات هو قاعدة ثقب. لإزالته ، تحتاج إلى تقليل عرض SCR. يمكن تقليله عن طريق تقليل الضغط الخارجي وزيادة تركيز الشوائب في القاعدة.

لا يوجد مكان لتخفيض الجهد الكهربائي ، فهو موجود بالفعل في منطقة 1V - حوالي عتبة اثنين. إذا فعلنا أقل من ذلك ، فإننا نجازف بالحصول على فتح "ترتد" الترانزستورات بسبب المقاومة الكهربائية.

يمكنك زيادة تركيز الشوائب في قاعدة البيانات ، ولكن بعد ذلك نحصل على:

• زيادة حادة في تيار التسرب النفقي من الصرف إلى القاعدة ؛
• زيادة خطر الحصول على انهيار جليدي لعملية الانتقال ؛
• زيادة عتبة الجهد لتحفيز القناة ، مع خطر الحصول على انهيار عازل البوابة.

بسبب هذه القيود ، يتم تثبيت تركيز الشوائب في القاعدة في 10 ¹⁸ -10 ¹⁹ .

كل هذه العوامل والعوامل غير المحددة تحد من الحد الأدنى لعرض القاعدة لترانزستورات السيليكون MOS في منطقة 25 نانومتر . إنه ممكن أقل ، لكن تيار التسرب يصبح غير كاف ويزيد احتمال الفشل بشكل كبير.


صورة مجهرية للترانزستورات مصنوعة على تكنولوجيا 90 نانومتر و 32 نانومتر. التكبير وحجم متطابقة. مصدر

كما نرى ، أصبح حجم الملامسات المعدنية أصغر بكثير ، لكن لم يتغير عرض القاعدة. كل نفس 25 نانومتر. علاوة على ذلك ، بالنسبة للترانزستورات التي تستخدم تقنية 14 نانومتر و 10 نانومتر و 7 نانومتر ، فهي نفسها ( ooops! ).

تمت مصادفة ذلك لأول مرة عند الانتقال من 130 نانومتر إلى أول 90 نانومتر. ثم لأول مرة لم يتمكنوا من تقليل عرض القاعدة بما يتناسب مع جميع الأحجام الأخرى ، بقي حوالي 35 نانومتر. في وقت لاحق ، تم تخفيضه إلى 25 نانومتر ، ولكن منذ ذلك الحين لم يعد عرض القاعدة خاضعًا لنسب التكنولوجيا. وكلما أصبحت الترانزستورات أصغر ، كلما تجلى ذلك بنفسه.

كان من الضروري تغيير معايير العمليات الفنية. ماذا فعلت؟ معظمهم لم يفعلوا شيئًا. استمروا في إصدار إذن الطباعة الحجرية كقاعدة للعملية التكنولوجية. أو الحد الأدنى لعرض مسار التعدين كمظهر من مظاهر العملية الأكثر بساطة وبديهية. ثم ننتقل إلى التسويق ...

جاء أكثر المسوقين إبداعًا من Intel. لقد بدأوا في حساب معدل العملية التقنية من حجم العناصر ، على سبيل المثال ، استنادًا إلى مساحة الخلية الست الترانزستور في الذاكرة الساكنة. في التكنولوجيا مع دقة الطباعة الحجرية 65 نانومتر ، كان 0.77 ميكرون ² ، وبدقة 40 نانومتر أصبح 0.37 ميكرون. إذا تم تخفيض أحجام الترانزستور بشكل متناسب كما كان من قبل ، فإن هذا يتوافق مع تقنية 45 نانومتر. لذلك سوف نفترض أن لدينا 45 نانومتر التكنولوجيا. هذا هو المكان الذي ظهرت فيه التباينات بين تقنية Intel وغيرها - 28 نانومتر للجميع ، 32 نانومتر لشركة إنتل ؛ 20 نانومتر للجميع ، 22 نانومتر لشركة إنتل ؛ 10 نانومتر للجميع ، 14 نانومتر لشركة إنتل.

كما أظهر التاريخ اللاحق ، إنتل إنتل أصبحت أكثر صدقًا من منافسيها.

تأثير التيارات التسرب

هناك جدول زمني رائع من مقال بالفعل في عام 2010:


مصدر

يوضح الرسم البياني النسبة المئوية لاستهلاك العمل والطاقة الزائفة. إطلاق الطاقة الزرقاء نتيجة لإعادة شحن التيارات (تيار التشغيل) ، والأرجواني - نتيجة تسرب التيارات (تيار الضالة). هذا يأخذ في الاعتبار التدابير التي اتخذت للحد من التيارات الضالة.

سبب توقف نمو سرعة ساعة المعالج مرئيًا بوضوح. ظهرت المعالجات الأولى بسرعة 3 جيجاهرتز ( Pentium 4 ، على سبيل المثال) في أوائل العقد الأول من القرن العشرين. حتى في هذا المستوى وبقي. عادة ما يتم تفسير ذلك من خلال حقيقة أن عدد النوى قد زاد ، وأصبح المنطق أكثر تعقيدًا ، وتعمق خطوط الأنابيب ، وبالتالي نمت متطلبات الاستقرار ، وبشكل عام ، ازدادت السعادة في جيجاهيرتز. صحيح جزئيا. ولكن!سابقا ، تمكنوا بطريقة ما من الجمع بين كل هذه العوامل مع زيادة في الترددات.

الحقيقة هي أنه في وقت مبكر ، مع انخفاض حجم الترانزستورات ، ظهر احتياطي لاستهلاك الطاقة. على سبيل المثال ، انخفض المعيار التكنولوجي مرتين ، وزاد عدد الترانزستورات بمقدار 4 مرات ، وانخفض متوسط ​​استهلاك الطاقة لكل ترانزستور بمقدار 6-7 مرات. والحقيقة هي أن الترانزستورات CMOS تستهلك الحالية عند التبديل ، والزيادة في عدد الترانزستورات ويرجع ذلك أساسا إلى زيادة في ذاكرة التخزين المؤقت. تبديل الترانزستورات الذاكرة نادرا نسبيا. لذلك ، يستهلكون أقل من العناصر النشطة للمعالج.

هذا الاختلاف جعل من الممكن رفع تردد الساعة بنفس الحرارة.

من 180 نانومتر إلى 130 نانومتر ، أكل التسرب الحالي هذه الدلتا. منذ ذلك الحين ، على الرغم من كل الحيل ، لم يخرجوا بشكل زائد. جميعالتهم السوسة اللعينة أكل تيارات التسرب. في مكان ما حتى ذهب إلى ناقص ، على سبيل المثال ، للمعالجات الموفرة للطاقة كان للحد من التردد. إذا تمت إزالة المعجزات ، فبالنسبة للتكنولوجيا 45 نانومتر ، نحصل على هامش ثلاثة أضعاف لزيادة التردد.

في الواقع ، خلال الألفينيات من القرن الماضي ، حدث تغير في الأولويات. في السابق ، كانت الأولوية لتقليل حجم الترانزستورات ، والآن هي تقليل التسريبات.

حول تقنيات التحكم في التسرب

تغيير مادة أكسيد الشبكة الفرعية

مع التبديل إلى High-k ، كان على المواد العازلة أيضًا تغيير مادة البوابة. وبدلاً من البولي سيليكون ، بدأوا في إعادة استخدام المعدن ، وعادةً ما يكون سيليكات النيكل NiSi. لا يزال يتم استخدام أكسيد السيليكون للفصل مع طبقة المعدن الثانية والمزيد.

السيليكون على عازل (SOI)

تم استخدام تقنية السيليكون على عازل ، المعروف أيضًا باسم SOI ، المعروف أيضًا باسم SOI ، لعزل الخلايا. هنا نذهب إلى أبعد من ذلك: يتم تشكيل طبقة أكسيد فوق الطبقة السفلية من السيليكون ، وتنتشر طبقة السيليكون الفوقي ( UPD: يبدو أن المؤلف قد قام بتبسيط عملية SIMOX و Smart Cut قليلاً ).


من الناحية التخطيطية ، الفرق بين تكنولوجيا SOI والمستوى التقليدي MOS

تقلل هذه التقنية بشكل كبير تيارات التسرب.

ولكن هناك أيضا عيوب. تكنولوجيا SOI لا تزال معقدة للغاية ومكلفة. بالإضافة إلى ذلك ، بسبب القاعدة المعزولة الرقيقة ، هناك مشاكل مع تراكم عدد كاف من الإلكترونات أو الثقوب لتشكيل قناة. القناة ضيقة جدا. مشكلة أخرى هي تبديد الحرارة. أكسيد السيليكون لديه الموصلية الحرارية المنخفضة ، وإزالة الحرارة من الفيلم إلى كتلة الركيزة أمر صعب.

بدلاً من ذلك ، بدلاً من أكسيد السيليكون ، يمكن استخدام الياقوت Al ₂ O ₃ ؛ الموصلية الحرارية أعلى. من الناحية المثالية ، يجب أن يكون أكسيد تحت التصريف والمصدر ، لكنه لن يكون تحت القاعدة. بعد ذلك ، بالاقتران مع عازل High-k ، سيكون من الممكن زيادة تركيز الشوائب في القاعدة وتقليل عرض القناة إلى 15 نانومتر. ومع ذلك ، في حين أن استخدام هذه التكنولوجيا محدود.

FinFET الترانزستورات

اسم من الزعانف الإنجليزية - قمة. تم استخدام هذه التقنية لأول مرة في تقنية 22 نانومتر وهي مهيمنة حاليًا في إنتاج المعالجات. خلاصة القول هي أنه لا توجد طبقة كاملة من السيليكون على قمة الأكسيد نمت فوق الفصوص ، ولكن التلال الفردية في المناطق التي تم تطهيرها من الأكسيد. UPD: رابط جيد حول FinFET من a5b ، حيث يتم في البداية حفر رقاقة سيليكون لإنتاج الزعانف.


على سبيل المثال ، من هذا القبيل. مصدر


مقارنة تخطيطية مع التكنولوجيا المستوية - تصبح الترانزستورات ثلاثية الأبعاد. مصدر

يتدفق المصراع في هذه التقنية حول القناة من ثلاث جهات. عندما نطبق الجهد على البوابة ، فإنه يسحب الإلكترونات (الثقوب) من الأعماق إلى قمم التلال ، وتشكل قناة فيها. وبالتالي ، فإن المنطقة النشطة بأكملها من التصريف والمصدر والبوابة تذهب إلى التلال ، وتسرب التيارات في عمق الركيزة ضئيل للغاية. في هذه الحالة ، لا يتم عزل التلال حرارياً عن الركيزة وتترك الحرارة بحرية.

عادةً ما تستخدم ترانزستورات ثنائية أو ثلاثة مضلعة. مع هذه الأبعاد ، فإن صنع التلال المستطيلة كما في المخطط غير واقعي ، بل هو شكل مخروطي مبتور.


مصدر الترانزستورات البيض


نفسه ، عرض أعلى. ما ينطلق فوق أكسيد هو غيض من فيض نانومتر. قاعدة التلال أوسع بكثير وغير مرئية هنا. مصدر

الحق أدناه هو الترانزستور CMOS لدينا. نرى 6 سلاسل ، 3 للقناة n ، 3 للقناة p (يشار إليها على أنها Fin في الشكل) ، وفي الوسط عبر البوابة (Gate) ، على طول الحواف توجد جهات اتصال للنزيلة والمصدر. يتم تحديد حجم الترانزستور من خلال المسافة بين التلال ، وعدد التلال ، وعرض القناة (كل نفس 25 نانومتر أو أكثر) ، وحجم مناطق التصريف والمصدر. يؤثر تحليل الطباعة الضوئية على حجم الترانزستور بشكل غير مباشر من خلال إمكانية الحد من الخطوة بين التلال. على سبيل المثال ، في تقنية 22 نانومتر ، تبلغ المسافة بين التلال 54 نانومتر ، في 14 نانومتر - 42 نانومتر ، في 10 نانومتر - 34 نانومتر. كما ترون هنا ، لا يوجد اعتماد خطي.

الآن في العالم ، هناك 3 شركات فقط تتقن هذه التكنولوجيا. هذه هي Intel الأمريكية ، Samsung Samsung ، و TSMC تايوانية. حتى ابنة AMD السابقة ، GlobalFoundries ، انسحبت من العملية. تطلب AMD حاليًا معالجات من TSMC وقد دخلت في اتفاقية مع Samsung.

قليلا عن المعدنة

لقد تم دائمًا محاولة تقليل المسارات المعدنية في أول طبقة من المعدن إلى الحد الأدنى. والحقيقة هي أن مسار المعدن يتشكل مع السيليكون نفس مكثف السيليكون العازلة المعدنية المسطحة. ولكن على عكس مصراع الكاميرا ، فهو مكثف طائش. مع وجود سعة كبيرة على ترددات في جيجاهيرتز ، قد يحدث اتصال كهربائي هامشي حيث لا ينبغي أن يكون. لتقليل السعة الشاردة ، تحتاج إلى تقليل مساحة المسارات. لذلك ، فإن المسارات في الطبقة المعدنية الأولى مصنوعة من أقصر وأقصر وقت ممكن. للسبب نفسه ، يحاولون تداخل طبقات مختلفة من المعدن في الزاوية اليمنى - أولاً قم بعمل مسارات طولية ، والمسارات المستعرضة للطبقة التالية. كلما زادت الطبقة ، زادت سماكة الأكسيد تحتها وتوسيع المسار.

لماذا انا؟ نظرًا لأن سمك أول مسار معدني هو الحد الأدنى ، فإنه يشار إليه غالبًا كمعيار للعملية التكنولوجية. في تقنية FinFET ، تمتلئ المسافة بين التلال بأكسيد. طبقة سميكة إلى حد ما أعلى High-k عازلة ، بوابة ، التلال والحوض الصغير. تتم إزالة طبقة المعدنة الأولى إلى هذه الانسداد فوق الحوض. يتم توسيع المسارات نفسها لتقليل المقاومة الكهربائية وتعويض المطبات. أيأصغر عرض المسار ممكن والواقع تباعدت أيضا.


مغلفة فطيرة معدنية

أيمعيار العملية أصبحت أكثر وأكثر كمية افتراضية. لذلك ، لدينا معالجات مماثلة مع معلمات تتميز بالمعايير من 7 نانومتر إلى 22 نانومتر. تسمح لك عملية FinFET 22 nm بالمرور عبر تلالتين ، و 7 تلال تحتاج إلى 3 تلال ، ونتيجة لذلك ، فإن أبعاد الترانزستورات هي نفسها تقريبًا. ومع ذلك ، غالباً ما تستمر المجلات في الكتابة أنه مع الانتقال من 10 نانومتر إلى 7 نانومتر ، سيزداد عدد الترانزستورات 1.8 مرة. لا يزال لدى الناس أنماط قديمة من عصر مور ...

ماذا بعد؟ أدى الانتقال إلى الترانزستورات الحجمي إلى ظهور عدد كبير من التعديلات الواعدة. على سبيل المثال ، أعلنت شركة Samsung عن تقنية GAAFET لتقنية 5nm.


المقارنة بين CMOS و FinFET و GAAFET واضحة. مصدر

أيلا ينبغي أن يكون المشط مستمرًا ، ولكن يجب تقسيمه إلى سلاسل منفصلة. السؤال: هل اللعبة تستحق كل هذا العناء؟ - لا يزال مفتوحا. UPD: كما لاحظ F376 بشكل صحيح ، يوفر FinFet مدخلات من مجال كهربائي من طرفين. يوفر Gate-All-Around FET الدخول من جميع الاتجاهات ، وهو أكثر كفاءة.

هناك أيضًا خيارات لمصاريع الحلقة ، الرأسية ، إلخ. هناك مجموعات من FinFET و SOI. بشكل عام ، تكون العمليات الكيميائية للبيتيكس أكثر تعقيدًا ، لكنها أكثر خطية ويمكن التنبؤ بها من الطباعة الحجرية. يوفر استخدامه ل مزيد من الدقة والقدرة على خلق أكثر دهاء هيكل ثلاثي الأبعاد.

الوضع في السوق الحديثة من الشركات المصنعة للمعالجات الدقيقة والآفاق

لذلك ، برز القادة الثلاثة - إنتل وسامسونغ و TSMC. تنتج Intel بموجب علاماتها التجارية الخاصة ، والباقي تحت الطلب بشكل أساسي. تحت العلامات التجارية AMD و NVIDIA و Qualcomm و Apple و IBM تقوم بإخفاء الرقائق المصنعة في مصانع TSMC أو Samsung. سقط بعض القادة القدامى أو واجهوا حاجزًا. يحاول الصينيون اقتحام العصبة الكبرى ، لكن حتى الآن لم ينجحوا بنجاح كبير: فهم يفتقرون إلى قاعدة تكنولوجية خاصة بهم ، ويحتفظ قادة العالم في إنتاج المعدات بأحدث الخطوط التكنولوجية للصينيين.

يرتبط تفاؤل الخبراء بالانتقال إلى الهياكل السائبة وبداية استخدام الطباعة الحجرية EUV. بدأت كل من Samsung و TSMC في استخدامه إلى حدٍ كبير ، للبنية الأكثر حساسية. هذا يتيح لهم الفرصة للإبلاغ عن تحقيق معايير 7 نانومتر وفي المستقبل ما يصل إلى 5 نانومتر. على الرغم من أن هذه الأرقام ، كما هو موصوف بالفعل ، ليس لها تأثير يذكر. نفس إنتل تخلت عموما EUV. على ما يبدو ، لا يعتقدون أن هذا سيحسن الأداء بشكل كبير.

من ناحية أخرى ، يدرك الأشخاص في هذا الموضوع أن عصر مور قد انتهى ، وأن كل خطوة جديدة في نمو الإنتاجية ستتطلب المزيد من الجهد والوقت. النمو السريع للإلكترونيات الدقيقة ينتهي ( تنهد! ). كيف حدث هذا مرة واحدة في صناعة السيارات والطيران. بعد النمو الهائل ، يتبع التطور البطيء.

من بين نقاط الاختراق الواعدة ، يمكن للمرء تحديد الانتقال إلى مادة أخرى (وليس السيليكون) وإنشاء دوائر مصغرة متعددة الطبقات (تكامل ثلاثي الأبعاد - تحية لأفكار AMD). للتكامل ثلاثي الأبعاد ، سيكون عليك تقليل توليد الحرارة بشكل كبير أو تحسين تبديد الحرارة.

هذا كل شيء لأحجام الترانزستور. هناك احتياطيات أخرى من نمو الإنتاجية في بلد آخر. في تحسين الهندسة المعمارية ، على سبيل المثال. يمكنك حتى اتخاذ خطوة تسويقية ، قائلة إن معالجًا جديدًا ذو بنية محسّنة يعمل كما لو كان معالجًا قديمًا بتكنولوجيا 0.5 نانومتر. لذلك ، نحتفل بأنه 0.5 نانومتر. والتين معه أن أبعاد الترانزستورات هي نفسها.

من الممكن إنشاء أنواع جديدة من الخلايا من مجموعات من الترانزستورات. على سبيل المثال ، بدلاً من 6 خلايا لذاكرة الترانزستور ، اصنع هيكلين للترانزستور مع فيزياء معقدة ذات تأثير متبادل. الهياكل الحجمي هنا توفر العديد من الفرص.

الحدود المادية

قد يقول شخص ما أن تشاؤم المؤلف ليس له ما يبرره. وجدوا طرق للالتفاف على القيود. ربما ليس بالسرعة كما كان من قبل ، ولكن مع ذلك.

الحقيقة هي أنه لا تزال هناك عمليات جسدية لا يمكن تجاوزها. أهمها هي المادة المكونة من الذرات ، وناقلات الشحنة هي إلكترونات. لإنشاء الترانزستور أصغر من الذرة لا يعمل. لن يعمل على إنشاء أقل من 1000 ذرة. لأن هناك إلكترون وعلاقة عدم اليقين لهيسنبرغ. الإلكترون هو جسيم غير مستقر للغاية ، السلوك المستقر أكثر أو أقل ممكن فقط لمجموعة من الآلاف والملايين من الإلكترونات. على إلكترون واحد ، يمكنك فقط تدمير قطة Schrödinger.

ملاحظة: على الرغم من وجود تطورات في الترانزستورات أحادية الإلكترون ( 1 و 2 و 3 )

حتى في الأحجام الحالية ، تحدث التصادمات بسبب التشغيل التلقائي للترانزستورات. إذا كان احتمال الاصطدام هو 10 ^-9 (واحد في المليار) ، ثم مع عدد العناصر في المليارات والترددات في GHz ، فهذا يعطي متوسط ​​تصادم واحد لكل دورة ، أو عدة مليارات من الاصطدامات في الثانية. للقبض على ذلك ، هناك أنظمة لمراقبة سلامة العمليات ، ويتم إرسال عملية مشبوهة لإعادة تنفيذها.

مع التصغير ، يبدأ عدد التصادمات في الزيادة بشكل حاد للغاية. نتيجة لذلك ، وصلنا إلى وضع صفر أو حتى تأثير سلبي من التصغير. أي جعلت الترانزستورات أقل ، فإنها تتناسب مع البلورة أكثر ، ولكن بسبب نمو الاصطدامات ودورات إعادة المعالجة ، لم يرتفع إجمالي الإنتاجية. أو ربما سقطت. وهذه العتبة في الأفق.

بضع كلمات عن الإلكترونيات الدقيقة الرقمية المحلية

على عكس الاعتقاد السائد ، فإن تأخر الاتحاد السوفيتي حتى عام 1985 لم يكن كبيرًا. حوالي 3-4 سنوات. هذا إذا أخذنا الشركات الرائدة في Zelenograd (ملاحظة: كتب BarsMonster عن Micron في ذلك الوقت ). بموجب قانون مور ، تأخر أداء فترة 3-4 سنوات بشكل كبير. كانت هناك مشاكل في الحصول على أكسيد عالي الجودة ، مع وضوح تقاطعات pn. إذا أضفنا سياسة محافظة مع تغليف الرقائق في العلبة (خطوط الاتصال الطويلة لم تزيد من إنتاجية الأجهزة) ، وكذلك المعايير السوفيتية لإنتاج الألواح والحاويات مع حفنة من الحديد (أولئك الذين قاموا بتفكيك مسجلات الأشرطة السوفيتية سوف يفهمون) ، سنحصل على نكتة حول الشريحة السوفياتية بالحديد المصبوب مقابض للحمل.

هناك العديد من الأسباب للتراكم. startanuli في وقت لاحق ، موارد محدودة ، رش الموارد. عندما ركز الأمريكيون على CMOS ، واصل بلدنا تجربة التقنيات المختلفة. لقد عملوا بنشاط كبير مع بدائل السيليكون ، في المقام الأول مع مواد A ₃ B ₅ . حسنًا ، الاسترخاء العام لمعاهد البحوث السوفيتية المتأخرة.

بعد عام 1985 ، بدأ الأمريكيون بشكل مفاجئ ، وبدأنا في مواجهة المشاكل. ثم التسعينيات ، عندما كانت الحياة في الصناعة دافئة بسبب الجمود. نتيجة لذلك ، دخلوا القرن الحادي والعشرين بتكنولوجيا 800 نانومتر ، عندما اقتحم القادة 130 نانومتر بالفعل. أعطيت الحياة الثانية للصناعة عن طريق تشريح جماعي للبطاقات والأوامر الحكومية. الإنتاج الرئيسي للصلب: رقائق لبطاقات SIM والبطاقات المصرفية وبطاقات الدفع والنقل وبطاقات الخصم وغيرها من السلع الاستهلاكية. ليست هناك حاجة جيجاهيرتز كبيرة و نانومتر صغير هناك.

ملاحظة: بالمناسبة ، في الوقت الذي توجد فيه في موسكو تذاكر لمرة واحدة (يتم شراؤها باستخدامها ، محملة بمصنع) ، في نفس الصين ، تعمل بنشاط على الترويج لتقنيات توفير الموارد ، ولا سيما الاستخدام القابل لإعادة الاستخدام لـ "الرمز المميز" في المترو (حتى في رحلة قصيرة واحدة) .


ومع ذلك ، هناك محاولة لدخول "العصبة الكبيرة" للإلكترونيات الدقيقة. يذهب التطور في أربعة اتجاهات رئيسية.

1. العمليات الفنية "السيادية". محاولة لإنشاء دورة إنتاج كاملة على المعدات المحلية والعمليات التكنولوجية الخاصة بنا. نحن نتبع نفس المسار الذي سلكه القادة منذ 20 عامًا ، ولكن مع الأخذ في الاعتبار ما تم العثور عليه من خرق و الحلول. من الأخير ، ما كان في المصادر المفتوحة هو 250 نانومتر في السلسلة و 150 نانومتر في عملية التنفيذ. يتضمن ذلك أيضًا محاولة إنشاء منشآت الطباعة الحجرية EUV الخاصة بنا على ارتفاع 13.5 نانومتر ، وبالتالي الخروج فورًا إن لم يكن في البطولات الكبرى ، ثم بالقرب منها.
2. شراء خطوط تكنولوجية من أبرز الشركات المصنعة. المشكلة هنا هي أن المنشآت الحديثة لم يتم بيعها لنا حتى في أفضل السنوات. عادة ما يبيعون خطوط عفا عليها الزمن تم وقفها. الآن ، فيما يتعلق بالجزاءات ، أكثر من ذلك. هنا يمكننا أن نتذكر الملحمة من خلال شراء Angstrom لمعدات AMD Dresden في عام 2007 ، في إطار عملية التصنيع البالغة 180 نانومتر. أو شراء خط Micron 90 نانومتر من STMicroelectronics الفرنسية متبوعًا بترقية إلى 65 نانومتر. في حين أن هذه هي أنحف عملية التصنيع في روسيا ، إلا أنها تمكنت من الخطف قبل العقوبات. صحيح ، يوجد الآن حل بديل - الشراء عبر الصين.
3. طلب الإنتاج في المصانع في الصين أو تايوان. في الوقت نفسه ، تم تطوير الهندسة المعمارية والطوبولوجيا بالكامل معنا ، والآن نحن نصنع أقنعة الصور الخاصة بنا . يمكن للصينيين فقط إنتاج العمليات التكنولوجية في مصانعهم. نحصل على معالجات إنتاجية أكثر تقدمًا ونطور الكفاءة في تطوير أنظمة المعالجات الحديثة. هنا ، لا تشارك مجموعة من علماء كوليبين ، ولكن فرق تصميم كبيرة. يتم إسقاط القسم الأخير فقط ، الإنتاج ، من الدورة الكاملة.
   
   ملاحظة: صنع بايكال وفقًا لمعايير 28 نانومتر في مصنع TSMC. مقال عن خروج بايكال وتحليله.
   
4. تطوير التقنيات البديلة. هذا هو تطوير التقنيات الواعدة التي قد تصبح واسعة الانتشار في المستقبل. ويشمل ذلك العمل على مركبات A ₃ B ₅ وهياكل متباينة ، وبالأخص زرنيخيد الغاليوم ونيتريد. وكذلك محاولات تحسين شعاع الإلكترون والطباعة الحجرية بالأشعة السينية لإنتاج كميات كبيرة ، مما يزيل عمومًا قيود الطباعة الحجرية.
   
   ملحوظة: لقد ورثنا مدرسة قوية على الهياكل غير المتجانسة من أواخر Alferov ، ولكن حتى مع دعم الدولة لم تقم OptoGaN بتمديده ، فإن ظروف السوق والسوق فشلت.
   

بشكل عام ، فإن الوضع ليس رائعا للإلكترونيات الدقيقة الروسية. ولكن هناك أمل في أن يتباطأ الزعماء حتما بسبب القيود الجسدية ، وهنا نسارع ببطء إلى الخلف.

الوتر الأخير حول الذاكرة ونوافذ الفرص في الجزء الثالث في غضون يومين - ترقبوا!

---

لا تنس الاشتراك في المدونة : ليس من الصعب عليك - أنا سعيد!

ونعم ، يرجى الكتابة عن أوجه القصور المذكورة في النص في PM.