Der allererste Transistor war bipolar und Germanium, aber die überwiegende Mehrheit der modernen integrierten Schaltkreise besteht aus Silizium unter Verwendung der CMOS-Technologie (komplementärer Metalloxid-Halbleiter). Wie stellte sich heraus, dass Silizium der Hauptbestandteil vieler bekannter Halbleiter ist? Warum ist die CMOS-Technologie fast exklusiv geworden? Waren die Prozessoren auf anderen Technologien? Was erwartet uns in naher Zukunft, weil die physikalische Grenze der Miniaturisierung von MOS-Transistoren tatsächlich erreicht ist?
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Im Hof der Wende von 1947 bis 1948 untersuchen John Bardin und Walter Brattain unter der Leitung von William Shockley von The Bell Labs die Feldverteilung in Germaniumdioden und entdecken versehentlich einen Transistoreffekt. Und obwohl der potenzielle Nutzen der Entdeckung offensichtlich war (laut städtischen Legenden wurde die Entdeckung jedoch freigegeben, nachdem Militärexperten keinen praktischen Nutzen darin gesehen hatten), sah der erste Transistor folgendermaßen aus:
Abbildung 2. Nachbildung des ersten TransistorsNicht sehr ähnlich zu einem Gerät, das für die industrielle Produktion geeignet ist, oder? Es dauerte zwei Jahre, bis ein kapriziöser Punkt-zu-Punkt-Bipolartransistor bequemer aus pn-Übergängen hergestellt werden konnte. Danach wurden die Tage (also nicht Tage, sondern Jahre) von Elektronenröhren in elektronischen Massengeräten gezählt.
Von den drei Entdeckern des Transistors ist es wahr, dass nur Shockley weiter an ihnen arbeitete, der wenig mit dem ursprünglichen Werk zu tun hatte (weil er ein Theoretiker und Chef und kein Forscher war), aber er nahm den ganzen Ruhm und stritt sich daher mit Bardin und Brattein, dass sie sich nie wieder mit Mikroelektronik befasst haben. Brattain studierte Elektrochemie und Bardin - Supraleitung, für die er den zweiten Nobelpreis erhielt. Damit war er der einzige Mensch in der Geschichte, der zwei Preise in Physik erhielt.
Shockley, der sein Forschungsteam mit seinen Ambitionen erfolgreich aufgelöst hatte, verließ Bell Labs und gründete sein eigenes Shockley Semiconductor Laboratory. Das Arbeitsklima ließ jedoch auch zu wünschen übrig, was zur Entstehung der berühmten „verräterischen Acht“ führte, die aus Shockley floh und Fairchild Semiconductor gründete, das wiederum die Mutter dessen wurde, was wir heute als „Silicon Valley“ kennen. einschließlich Unternehmen wie Intel, AMD und Intersil.
Abbildung 3. Fairchildren - Von Fairchild gegründete Unternehmen
Shockley selbst erholte sich nie von dem Verrat der G8 und rollte bergab: Er wurde aus seiner eigenen Firma entlassen, von Rassismus und Eugenik mitgerissen, wurde ein Ausgestoßener in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und starb, alles vergessen. Sogar seine Kinder erfuhren aus Zeitungen vom Tod.Vor dem Start
Die Geschichte der Entdeckung des Transistors ist weithin bekannt und viel beschrieben. Es ist viel weniger bekannt, dass die
erste Patentanmeldung für einen Transistor überhaupt nicht 1947, sondern etwa zwanzig Jahre zuvor, 1925, von einem Amerikaner österreichisch-ungarischer Herkunft, Julius Lilienfeld, eingereicht wurde. In diesem Fall waren im Gegensatz zum Bipolartransistor von 1947 die in den Lilienfeld-Patenten beschriebenen Vorrichtungen Feld: In dem 1930 erhaltenen Patent der MESFET mit Metallverschluss und im Patent von 1933 - MOSFET - fast die gleichen, wie wir sie kennen jetzt. Lilienfeld beabsichtigte, Gate-Aluminium und Aluminiumoxid als Gate-Dielektrikum zu verwenden.
Leider erlaubte der damalige Stand der technologischen Entwicklung Lilienfeld nicht, seine Ideen in Prototypen umzusetzen, aber die Experimente, die Shockley 1948 (bereits allein) durchführte, zeigten, dass Lilienfelds Patente grundlegend funktionsfähige Geräte beschrieben. Tatsächlich war die gesamte Arbeit der Shockley-Gruppe über die Eigenschaften von Dioden, die zur zufälligen Erfindung eines Bipolartransistors führte, Teil der Forschung zur Schaffung eines Feldeffekttransistors, der in seinen Eigenschaften Vakuumröhren viel ähnlicher und daher für Physiker jener Jahre verständlicher ist. Trotz der erfolgreichen Bestätigung der Verarbeitbarkeit von Lilienfelds Ideen gab es 1948 noch keine Technologie für die stabile Herstellung dünner fehlerfreier Filme aus Dielektrika, während sich ein Bipolartransistor als technologisch weit fortgeschrittener und kommerziell vielversprechender herausstellte. MOS-Transistoren wurden zurückgestellt, und bipolare Geräte begannen einen Siegeszug auf dem Planeten.
Ein Moment der TerminologieEin Bipolartransistor oder Bipolartransistor ist ein Transistor, bei dem beide Arten von Ladungsträgern, sowohl Elektronen als auch Löcher, zum Betrieb benötigt werden und der durch den Basisstrom gesteuert wird (multipliziert mit der Verstärkung des Transistors). Normalerweise werden pn-Übergänge oder Heteroübergänge verwendet, obwohl der allererste Transistor, obwohl er bipolar war, kein Übergangstransistor war. Ein beliebtes englisches Akronym ist BJT, Bipolar Junction Transistor.
Für Transistoren an Heteroübergängen (Übergänge zwischen verschiedenen Materialien, z. B. Galliumarsenid und Galliumaluminitrid) wird das Akronym HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) verwendet.
Ein unipolarer oder Feldeffekttransistor, auch als Feldeffekttransistor oder FET bekannt, ist ein Transistor, dessen Betrieb auf dem Feldeffekt basiert und nur einen Ladungsträgertyp erfordert. Der Feldeffekttransistor hat einen Kanal, der durch die an das Gate angelegte Spannung gesteuert wird. Feldeffekttransistoren sind einige Varianten.
Der übliche MOSFET oder MOSFET ist ein Transistor mit einem Gate, das mittels eines Dielektrikums, üblicherweise Oxid, das eine Metalloxid-Halbleiter-Struktur ist, vom Kanal isoliert ist. Wenn kein Oxid verwendet wird, können sie als MISFET (I-Isolator) oder MDPT (D-Dielektrikum) bezeichnet werden.
JFET (J - Junction) oder Transistor mit einem Steuer-PN-Übergang. In einem solchen Transistor wird das den Kanal blockierende Feld durch Anlegen einer Spannung an den Steuer-pn-Übergang erzeugt.
Ein Schottky-Feldeffekttransistor (PTSh) oder MESFET (ME-Metal) ist ein JFET-Typ, der nicht einen pn-Übergang als Steuerung verwendet, sondern eine Schottky-Barriere (zwischen einem Halbleiter und einem Metall), die einen geringeren Spannungsabfall und eine höhere Betriebsgeschwindigkeit aufweist.
HEMT (High Electron Mobility Transistor) oder Transistor mit hoher Elektronenmobilität - ein Analogon von JFET und MESFET unter Verwendung eines Heteroübergangs. Solche Transistoren sind in komplexen Halbleitern am beliebtesten.Abbildung 4. BJT, MOSFET, JFETGermanium
Der erste Transistor war Germanium, aber Technologen verschiedener Unternehmen wechselten schnell zu Silizium. Dies lag an der Tatsache, dass reines Germanium für elektronische Anwendungen eigentlich ziemlich schlecht geeignet ist (obwohl Germaniumtransistoren immer noch in antiken Mähgeräten verwendet werden). Zu den Vorteilen von Germanium zählen die hohe Elektronenmobilität und vor allem die Löcher sowie die Freisetzungsspannung der pn-Übergänge von 0,3 V gegenüber 0,7 V für Silizium, obwohl die zweite mithilfe von Schottky-Übergängen ausgeglichen werden kann (wie dies in der TTLS-Logik der Fall war). . Aufgrund der kleineren Bandlücke (0,67 gegenüber 1,14 eV) weisen Germaniumdioden große Rückströme auf, die mit der Temperatur stark ansteigen, was sowohl den Temperaturbereich der Anwendbarkeit von Germaniumschaltungen als auch die zulässige Leistung (der Einfluss von Rückströmen auf die kleinen ist zu groß) begrenzt Selbsterhitzung stören). Um die Temperaturprobleme Deutschlands abzurunden, ist seine Wärmeleitfähigkeit viel geringer als die von Silizium, dh es ist schwieriger, Wärme von leistungsstarken Transistoren abzuleiten.
Bereits in der frühen Periode der Geschichte der Halbleiterelektronik hatten Germaniumvorrichtungen große Ertragsprobleme aufgrund der Schwierigkeit, reines kristallines Germanium ohne Schraubengitterversetzungen und schlechte Oberflächenqualität zu erhalten, im Gegensatz zu Silizium, das nicht vor äußeren Einflüssen durch Oxid geschützt ist. Genauer gesagt hat Germanium ein Oxid, aber sein Kristallgitter fällt viel schlechter mit dem Gitter aus reinem Germanium zusammen als Silizium, was zur Bildung einer unannehmbar großen Anzahl von Oberflächendefekten führt. Diese Defekte verringern die Mobilität von Ladungsträgern erheblich und negieren den Hauptvorteil von Germanium gegenüber Silizium. Um das Ganze abzurunden, reagiert Germaniumoxid mit Wasser - sowohl während des Herstellungsprozesses des Chips als auch während des Betriebs. Die verbleibenden Halbleiter hatten jedoch noch weniger Glück und sie haben überhaupt kein Oxid.
Shockley versuchte, das Problem einer schlechten Germaniumoberfläche zu lösen, die die Herstellung des Feldeffekttransistors verhinderte, und kam auf die Idee, den Kanal in die Halbleitertiefe zu entfernen. Es gab also einen Feldeffekttransistor mit einem Steuer-PN-Übergang, auch bekannt als JFET. Diese Transistoren fanden schnell ihren Platz in analogen Schaltungen - vor allem aufgrund des sehr geringen Eingangsstroms (im Vergleich zu Bipolartransistoren) und der guten Rauscheigenschaften. Diese Kombination macht JFET zu einer hervorragenden Wahl für die Eingangsstufe des Operationsverstärkers - was beispielsweise
in diesem Artikel von Ken Shirrif beobachtet werden kann. Als sich herausstellte, dass anstelle separater Komponenten integrierte Schaltkreise hergestellt wurden, stellte sich heraus, dass JFETs recht gut mit der Bipolartechnologie kompatibel sind (ich habe in der obigen Abbildung sogar einen JFET aus einem Bipolartransistor hergestellt), und sie wurden zu einem gängigen Ort in analogen bipolaren Herstellungsprozessen. Aber all dies war bereits auf Silizium und Germanium blieb viele Jahre lang vergessen, bis es an der Zeit war, die Position von Silizium zu stärken, anstatt damit zu kämpfen. Aber dazu später mehr.
Feldeffekttransistoren
Was ist mit MOS-Transistoren? Es scheint, dass sie im Zusammenhang mit dem raschen Fortschritt der bipolaren Gegenstücke für fast ein Jahrzehnt vergessen wurden, sie entwickelten sich dennoch. Trotz Bell Labs wurde 1959 der erste funktionierende MOS-Transistor von Devon Kang und Martin Attala entwickelt. Einerseits verwirklichte er die Idee von Lilienfeld fast direkt und andererseits stellte sich sofort heraus, dass er mit vielen Transistoren der nächsten Generation, die Siliziumoxid als Gate-Dielektrikum verwenden, fast identisch war. Leider erkannte Bell Labs damals das kommerzielle Potenzial der Erfindung nicht: Der Prototyp war signifikant langsamer als die damaligen Bipolartransistoren. Das Potenzial der Neuheit wurde jedoch von Radio Corporation of America (RCA) und Fairchild erkannt, und bereits 1964 kamen MOS-Transistoren auf den Markt. Sie waren langsamer als bipolare Gegenstücke, schlechter verstärkt, verrauscht und stark von elektrostatischer Entladung betroffen, hatten jedoch keinen Eingangsstrom, einen geringen Ausgangswiderstand und hervorragende Schaltfähigkeiten. Es ist nicht so sehr, aber es war nur der Beginn einer sehr langen Reise.
Bipolare Logik und RISC
In den frühen Stadien der Entwicklung der Halbleiterelektronik dominierten Analog- und Hochfrequenzanwendungen: Das Wort „Transistor“ bedeutete lange Zeit nicht nur den Transistor selbst, sondern auch einen darauf basierenden Funkempfänger. Digitale Computer, die auf Mikroschaltungen mit einem oder zwei Gattern basierten, waren riesig (obwohl sie nicht mit Lampen verglichen werden konnten), daher gab es sogar Versuche, die Berechnungen auf analoge Weise durchzuführen - es ist gut, die Integration oder Differenzierung mit nur einem Operationsverstärker anstelle einer vollständigen Streuung digitaler Chips zu implementieren . Digital Computing erwies sich jedoch als bequemer und praktischer, wodurch die Ära der digitalen elektronischen Computer begann, die bis heute andauert (obwohl Quantencomputer und neuronale Netze bereits erhebliche Erfolge erzielt haben).
Der Hauptvorteil der damaligen MOS-Technologie war die Einfachheit (ich erinnere mich, dass bis in die achtziger Jahre jedes mikroelektronische Unternehmen seine eigene Produktion organisieren musste): Um die einfachste funktionierende n-MOS- oder p-MOS-Schaltung zu implementieren, werden nur vier Fotolithografien für CMOS benötigt - sechs und Für eine bipolare Lithographieschaltung werden sieben für einen Transistortyp benötigt, und eine genauere Steuerung der Diffusion und im Idealfall der Epitaxie ist immer noch erforderlich. Das Fett-Minus war die Geschwindigkeit: MOS-Transistoren verloren im Vergleich zu Bipolar und JFET mehr als eine Größenordnung. Zu dem Zeitpunkt, als CMOS das Erreichen einer Frequenz von 5 MHz erlaubte, konnten 100-200 auf ESL gemacht werden. Über analoge Anwendungen muss nicht gesprochen werden - MOS-Transistoren sind aufgrund niedriger Geschwindigkeiten und geringer Verstärkung für sie sehr schlecht geeignet, während eine bipolare Schaltung mit JFET-Eingängen fast alle Anforderungen des Designers erfüllen kann.
Während der Integrationsgrad der Mikroschaltungen gering war und niemand den Stromverbrauch besonders berücksichtigte, war der Vorteil der emittergekoppelten Logik (ESL) für Hochleistungsanwendungen offensichtlich, aber die MOS-Technologie hatte Trumpfkarten in der Hülle, die etwas später spielten. In den sechziger, siebziger und achtziger Jahren entwickelten sich parallel MOS- und bipolare Herstellungsverfahren, wobei MOS ausschließlich für digitale Schaltungen verwendet wurde und die bipolare Technologie sowohl für analoge Schaltungen als auch für Logik auf der Basis der TTL- (Transistor-Transistor-Logik, TTL) und ESL-Familien verwendet wurde.
Abbildung 5. Cray-1, der erste Seymour Cray-Supercomputer, der 1975 der Öffentlichkeit vorgestellt wurde, wog 5,5 Tonnen, verbrauchte 115 kW Energie und hatte eine Kapazität von 160 MFLOPS bei 80 MHz. Es wurde auf vier Arten von diskreten ECL-Schaltkreisen gebaut und enthielt etwa 200.000 Ventile. Der Chip, auf dem die Logik aufgebaut wurde, ist Fairchild 11C01, ein Doppelventil, das die Elemente 4 ILINE und 5 ILINE enthält und 25-30 mA Strom verbraucht, wenn es mit -5,2 V betrieben wird.Abbildung 6. Logikelement 2INE bei TTL und 2OR / ILINE bei ESLBeachten Sie, dass das ESL-Logikelement nur ein Rückkopplungsverstärker ist, der so konstruiert ist, dass sich Schalttransistoren immer im „schnellen“ linearen Modus befinden und niemals in den „langsamen“ Sättigungsmodus fallen. Die Gebühr für die Geschwindigkeit ist der Strom, der kontinuierlich durch den Stromkreis fließt, unabhängig von der Betriebsfrequenz und dem Zustand der Ein- und Ausgänge. Es ist lustig, aber sie haben vor einiger Zeit versucht, diesen Nachteil als Vorteil zu nutzen: Aufgrund der Konstanz des Stromverbrauchs sind kryptografische Schaltkreise auf ESLs viel widerstandsfähiger gegen Hacking, indem sie auf den Stromverbrauch „hören“ als CMOS, bei dem der Stromverbrauch proportional zur Anzahl der Ventile ist, die zu einem bestimmten Zeitpunkt schalten . Wenn wir Bipolartransistoren durch Feldeffekttransistoren (JFET oder MESFET) ersetzen, erhalten wir ISL - quellenbezogene Logik, die zu dieser Zeit auch in komplexen Halbleitern Anwendung fand.
Ein offensichtlicher Vorteil der nMOS- oder pMOS-Logik ist die einfache Herstellung und die geringe Anzahl von Transistoren, was eine kleine Fläche und die Fähigkeit bedeutet, mehr Elemente auf dem Chip zu platzieren. Zum Vergleich: Das 2INE- oder 2ILINE-Element im nMOS / pMOS besteht aus drei Elementen im CMOS - vier. Bei TTL enthalten diese Elemente 4-6 Transistoren, 1-3 Dioden und 4-5 Widerstände. Bei der ESL - 4 Transistoren und 4 Widerständen (während bei der ESL ist es praktisch, OR und NOR auszuführen, und es ist unpraktisch für AND und NAND). Achten Sie übrigens darauf, dass alle Transistoren in der Schaltung der TTL- und ESL-Elemente npn sind. Dies liegt daran, dass die Herstellung eines pnp-Transistors in einem p-Substrat komplizierter ist als npn und ihre Struktur unterschiedlich ist - im Gegensatz zur CMOS-Technologie, bei der die Transistoren beider Typen nahezu gleich sind. Darüber hinaus sind sowohl pMOS als auch bipolares pnp, die auf Kosten von Löchern arbeiten, langsamer als ihre „elektronischen“ Gegenstücke, und daher waren sie in der bipolaren Logik, deren Hauptzweck die Geschwindigkeit war, nicht uneins.
Der zweite wichtige Vorteil der MOS-Technologie, die sich während des Übergangs zum CMOS voll manifestierte und die Dominanz dieser Technologie weitgehend bestimmte, ist der geringe Stromverbrauch. Das CMOS-Ventil verbraucht nur während des Schaltvorgangs Energie und hat keinen statischen Energieverbrauch (für moderne Technologien ist dies nicht der Fall, aber wir lassen insbesondere etwas weg). Der typische Betriebsstrom des ESL-Ventils beträgt 100 μA bis 1 mA (0,5 bis 5 mW, versorgt mit 5,2 V). Wenn wir diese Zahl beispielsweise mit den Milliarden Gates multiplizieren, aus denen moderne Intel-Prozessoren bestehen, erhalten wir MegaWatt ... Eigentlich den Verbrauch von Cray-1, den Sie oben gesehen haben. In den achtziger Jahren handelte es sich jedoch normalerweise um Tausende oder Zehntausende von Ventilen, die es theoretisch ermöglichten, auch bei bipolarer Logik ein angemessenes Leistungsbudget einzuhalten. In der Praxis wurde jedoch mehrmals die Anzahl der CMOS-Ventile, die weniger Strom verbrauchten und mit abnehmenden Konstruktionsstandards viel schneller wurden, auf dieselbe Kristallfläche gelegt (Moores Gesetz arbeitete mit Macht und Haupt).
Intel 8008 (1972) mit 10-Mikron-pMOS-Technologie arbeitete mit einer Frequenz von 500 kHz (gegenüber 80 MHz für das viel komplexere Cray-1-System), Intel 8086 (1979) mit 3-Mikron-nMOS und höherem CMOS beschleunigte auf 10 MHz und das ursprüngliche 80486 ( 1989) - bis zu 50 MHz.
Was hat Designer dazu gebracht, trotz der raschen Verringerung des Unterschieds zwischen ihnen und CMOS und trotz des Energieverbrauchs weiterhin bipolare Designs auszuprobieren? Die Antwort ist einfach - Geschwindigkeit. Zu Beginn der Zeit war ein zusätzlicher großer Vorteil von ESL der minimale Leistungsverlust bei Arbeiten an großen kapazitiven Lasten oder langen Leitungen - das heißt, die Montage aus vielen Gebäuden mit ESL-Logik war viel schneller als die Montage unter CMOS oder TTL. Eine Erhöhung des Integrationsgrades ermöglichte es CMOS, diesen Nachteil teilweise zu überwinden, Computersysteme waren immer noch Multi-Chip, und jeder Ausgang des Signals außerhalb des Kristalls (zum Beispiel in einen externen Cache) verlangsamte alles. Bipolare Gates waren selbst in den späten achtziger Jahren noch erheblich schneller, zum Beispiel aufgrund mehrfach kleinerer Spannungsunterschiede zwischen einer logischen Null und einer logischen Einheit - 600-800 mV in ESL gegenüber 5 V in CMOS, und dies unter Bedingungen, bei denen die Größe der Transistoren in Bipolare Technologien bleiben bereits hinter CMOS zurück. , ( “” “ ”), , . , .
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Bisher sprach der Artikel über die Erfolge und Misserfolge amerikanischer Unternehmen, aber nicht nur in Amerika war Mikroelektronik, oder? Leider kann man ein wenig über den schwierigen Weg der sowjetischen Mikroelektronik bei der Auswahl von Technologien erzählen. Der erste Grund - die Geschichte der amerikanischen (und beispielsweise japanischen) Entwicklungen wird durch Veröffentlichungen in speziellen IEEE-Zeitschriften, deren Archiv jetzt digitalisiert ist, gut dokumentiert, und das Studium ist für den Kenner eine wahre Freude. Die sowjetische Mikroelektronik war im Laufe ihrer Geschichte äußerst geschlossen. Selbst auf Russisch gab es nur wenige Veröffentlichungen, ganz zu schweigen von der weltweiten Berichterstattung über ihre Erfolge (was zum Beispiel in der Grundlagenphysik geschah). Und selbst das Wenige, das veröffentlicht wurde, ist jetzt sehr schwer zu finden und natürlich nur in Papierform und nicht in elektronischer Form. Daher ist es übrigens besonders ermutigend, meine russischen Kollegen auf internationalen wissenschaftlichen Konferenzen und Industrieausstellungen nicht nur als Gäste, sondern auch als Redner zu sehen. Der zweite Grund ist, dass die sowjetische Mikroelektronik die meiste Zeit, wenn auch nicht viel, hinter den Amerikanern zurückblieb und aktiv an der Nachahmung erfolgreicher westlicher Entwicklungen beteiligt war. Darüber hinaus nahm das Ministerium für elektronische Industrie der UdSSR ab Anfang der achtziger Jahre, als die interessantesten Dinge der Welt begannen, offiziell einen Kurs ein, um Originaldesigns aufzugeben und Kopien amerikanischer Mikroschaltungen anzufertigen - eher serielle als experimentelle Designs und Methoden. Unter den Bedingungen begrenzter Ressourcen war dies vielleicht die richtige Entscheidung, aber das Ergebnis war eine Zunahme des Rückstands (und nicht technologischer, sondern ideologischer), der nach dem Zusammenbruch der UdSSR praktisch irreversibel wurde - bis im 21. Jahrhundert die russische Mikroelektronik „neu gestartet“ wurde. eigentlich von Grund auf neu.
Obwohl GaAs-Chips mit mittlerem Integrationsgrad in den frühen neunziger Jahren sowohl in Cray-Supercomputern als auch in EC-4-WWUs verwendet wurden, verfügte die UdSSR nie über RISC-Prozessoren, die in den letzten Phasen des Kampfes zwischen CMOS, ESL und Galliumarsenid eine wichtige Rolle spielten. Aus technologischer Sicht stellte der Zelenograd „Micron“ zur gleichen Zeit, als die Amerikaner Einkristall-Mikroprozessoren entwickelten, die K6500-Arsenid-Gallium-Mikroschaltungsserie in Serie, die Speicher mit bis zu 16 kbps, Basismatrixkristalle mit bis zu zehntausend Ventilen und einen Mikroprozessorsatz umfasste von fünf Chips - das sind die gleichen komplexen Kristalle wie bei amerikanischen Prozessoren. Wenn McDonnell Douglas jedoch mit normalerweise geschlossenen JFETs beider Leitfähigkeitstypen GaOS-nMOS- und CMOS-Schaltungen mit dem Ziel imitierte, den Stromverbrauch zu minimieren und den Boden für die Erhöhung des Integrationsgrades vorzubereiten, war der K6500 sehr schnell (bis zu 1 GHz), aber viel komplexer und launischer ICL-Schaltungen mit normalerweise offenen MESFETs (was die durch den Integrationsgrad erzielten Ergebnisse noch überraschender macht).
Die Arbeiten an Galliumarsenid wurden von 1984 bis mindestens 1996 bei Mikron fortgesetzt, aber ich konnte keine Informationen darüber finden, was danach geschah. Jetzt werden alle Entwicklungen von Micron, einschließlich strahlungsbeständiger und hochfrequenter, auf Silizium ausgeführt.
Arsenid und andere
Die Entwickler von Silizium-CMOS-Spezialschaltungen standen unterdessen nicht still; Anfang der neunziger Jahre wurde klar, dass die Bereitstellung von Strahlungsbeständigkeit auf leicht modifizierter kommerzieller Silizium-CMOS-Technologie nicht viel schwieriger ist als auf teurem und kapriziösem Galliumarsenid, was ihm seinen letzten wichtigen Vorteil nahm und ihn auf sehr enge und spezifische Nischen beschränkte - meist diskrete Mikrowellen- und Leistungsgeräte . Darüber hinaus wird auch in diesen Anwendungen zunehmend kein Arsenid mehr verwendet, sondern Galliumnitrid oder verschiedene Heterostrukturen mit besseren Temperatureigenschaften, höherer Mobilität und einem großen Durchbruchfeld.
Figure 9. Vergleich der Haupteigenschaften von Silizium, Galliumarsenid und Galliumnitrid für Leistungs- und MikrowellenanwendungenNun, fragen Sie, kann Galliumnitrid VLSI herstellen? Leider hat Galliumnitrid auch eine geringe Lochbeweglichkeit, und zwar nicht nur dafür. Nur Indiumantimonid hat eine radikal größere Lochbeweglichkeit als Silizium, aber eine so enge verbotene Zone, dass darauf basierende Geräte nur bei kryogenen Temperaturen arbeiten können.
Versteh mich nicht falsch, andere Halbleiter werden ebenfalls benötigt und sie haben viele nützliche Anwendungen. Als das Nobelkomitee im Jahr 2000 schließlich beschloss, eine Auszeichnung für Elektronik zu vergeben, erhielt Jack Kilby die Hälfte des Preises für die Schaffung der ersten integrierten Schaltung und die zweite - Zhores Alferov und Herbert Kremer für die "Entwicklung von Halbleiter-Heterostrukturen für Hochfrequenzschaltungen und Optoelektronik". Unser Leben ohne Heterostrukturlaser ist kaum vorstellbar. Die Märkte für Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Stromversorgungsgeräte wachsen sprunghaft (und die Elektrifizierung von Fahrzeugen). Der schnelle Einsatz von 5G-Netzen mit Frequenzen bis zu 39 GHz ist ohne A3B5-Halbleiter nicht vorstellbar, sondern nur Es stellte sich heraus, dass die Silizium-CMOS-Technologie alle erforderlichen Eigenschaften für die Erstellung von rechnergestützten VLSIs aufweist, die den Löwenanteil des Mikroelektronikmarktes ausmachen und die oben erwähnte Vielfalt verwalten.
Selbst die Silizium-Mikroelektronik ist jedoch viel breiter als nur Hochleistungs-Mikroprozessoren. Derzeit startet TSMC gleichzeitig mit der Inbetriebnahme der 5-nm-Prozesstechnologie eine neue Fabrik mit Designstandards von 180 nm auf 200-mm-Platten - weil eine Nachfrage nach ihnen besteht und diese stetig wächst. Ja, dieser Markt ist viel kleiner als der Chipmarkt für Mobiltelefone, aber die Investitionen für den Einstieg sind viel bescheidener. Gleiches gilt für die Märkte für Siliciumcarbid und Galliumnitrid. Und gerade komplexe Halbleiter, Mikrowellen und Leistungselektronik können meiner bescheidenen Meinung nach zu einem echten Treiber für die Wiederbelebung der russischen Mikroelektronik und ihren Eintritt in den Weltmarkt werden. In diesen Bereichen sind die Kompetenzen und die Ausstattung russischer Unternehmen sehr stark und den weltweit führenden Unternehmen sehr nahe. Jeder kennt 180, 90 und 65 nm auf dem Mikron, aber nur wenige haben von 200 nm auf der Quelle oder 150 nm auf dem Mikran gehört. Nur wenige Menschen haben gehört, dass die STM-Fabrik in Catania, aus der der 180-nm-Prozess bei Micron kopiert wurde, jetzt vollständig auf die Herstellung von Siliziumkarbid umgestellt hat, dessen Markt in fünf Jahren drei Milliarden Dollar erreichen sollte. STM hat kürzlich einen SiC-Substrathersteller gekauft, um die gesamte Produktionskette zu besitzen, und im Prinzip tun sie alles, um auf dem wachsenden Markt führend zu werden.
Absorbieren und erobern
Artikel aus den späten achtziger und frühen neunziger Jahren über vielversprechende Technologien - ESL auf Silizium, komplementär zu JFET auf GaAs, versuchen, Germanium wieder großartig zu machen - enden fast immer mit den Worten: „Wir zeigten große Perspektiven für unsere Idee und buchstäblich ein paar Jahre später, als sich die Technologien etwas weiterentwickelten und wird mehr Transistoren auf einem Chip / weniger Verbrauch / höhere prozentuale Ausbeute ermöglichen, dann werden wir die Welt erobern. “ Das ist nur der versprochene Fortschritt bei dem Geld, das DARPA nie erzielt hat. Warum? Weil die Technologie zur Herstellung von Chips mit jeder neuen Größenverringerung im Preis steigt und keine Forschungsstipendien das Investitionsvolumen von Intel übersteigen können, das auf dem riesigen Verbrauchermarkt arbeitet und sich bewusst ist, dass Technologieführerschaft einer der Schlüssel zur kommerziellen Führung ist. Aus diesem Grund hat Intel die Flagge von Moores Gesetz gehisst und sich selbst für dessen Umsetzung verantwortlich gemacht. Danach waren alle anderen Hersteller in ein verrücktes Wettrüsten verwickelt, das sich kleine Unternehmen und andere Technologien vorhersehbar nicht leisten konnten. Infolgedessen hat Intel genau einen Konkurrenten in der Nische der Personal Computer, und im Allgemeinen verfügen weltweit nur drei Unternehmen über Technologien unter 14 nm - TSMC, Intel und Samsung. Wir können sagen, dass Intel vor langer Zeit großes Glück hatte, mit MOS-Transistoren und nicht mit ESL zu arbeiten, aber wenn sie kein Glück hätten, hätte jemand anderes Glück und das Ergebnis würde ungefähr gleich bleiben.
Die Tatsache, dass der Vorteil von CMOS auf Silizium nicht zu leugnen ist, wurde Ende der neunziger Jahre deutlich, und das Missverhältnis der darin investierten Ressourcen und alles andere wurde so, dass es rentabler und einfacher wurde, die entsprechenden Gewichtungselemente an CMOS anzubringen, anstatt neue Technologien für spezifische Anforderungen zu entwickeln. Die BiKMOP-Technologie mit bipolaren npn-Transistoren erschien für Entwickler analoger Schaltungen, nichtflüchtiger Speicher für eingebettete Elektronik, Hochspannungs-DMOS-Transistoren für Leistungsanwendungen, SOI-Substrate für hohe Temperaturen oder hohe Geschwindigkeiten, integrierte Fotodioden für die Optoelektronik. Ein wichtiger Treiber für die Integration zusätzlicher Optionen in die CMOS-Technologie war das Konzept eines Systems auf einem Chip. Wenn der Systemdesigner früher die geeigneten Mikroschaltungen ausgewählt hat, basierend darauf, wie gut sie mit den Zielfunktionen umgehen, ohne auf die Technologie ihrer Herstellung zu achten (im schlimmsten Fall wurden noch Level-Übersetzer benötigt, aber dies ist nicht beängstigend), dann bietet sich mit dem Grad der Integration die Möglichkeit Platzieren Sie alle Komponenten des Systems auf einem Chip und töten Sie so viele Vögel mit einer Klappe - erhöhen Sie die Geschwindigkeit und reduzieren Sie den Verbrauch, da die Kapazität der Schienen auf der Leiterplatte nicht gepumpt werden muss chnost durch bessere Anpassungselemente der Zuverlässigkeit zu erhöhen, indem die Anzahl von Lötstellen reduziert. Dafür mussten jedoch alle Teile des Systems CMOS-kompatibel sein. Die Fabriken antworteten auf diese Frage: „Alles, zahlen Sie nur Geld für zusätzliche Masken und Technologieoptionen“ und begannen, nacheinander spezialisierte technische Prozesse in Produktion zu bringen. Zusätzliche Masken - teuer und kompliziert, aber sollte der Chip billig sein? Und jetzt schreiben die Lehrbücher für analoges Design bereits von guten und schnellen Bipolartransistoren zu schlechten und langsamen Feldtransistoren um. Gibt es absolut keine Geschwindigkeit für die Mikrowelle? Werden wir es erneut mit Galliumarsenid versuchen? Nein, lassen Sie uns das Siliziumkristallgitter mit Germanium dehnen, um die Elektronenmobilität lokal zu erhöhen. Klingt kompliziert? Aber es ist CMOS-kompatibel! Ein billiger Mikrocontroller mit Flash-Speicher und ADC auf einem einzelnen Chip klingt viel besser als der gleiche auf drei Chips, oder? Die digitale Datenverarbeitung und -steuerung auf demselben Chip wie der analoge Teil des Systems wurde zu einer wichtigen Errungenschaft, die es Mikrocontrollern ermöglichte, vom Weltraum bis zum Wasserkocher überall einzudringen.
Mein Lieblingsbeispiel dieser Art ist die BCD-Technologie. BCD ist Bipolar (für den analogen Teil), CMOS (für den digitalen Teil), DMOS (Hochspannungsschalter auf demselben Chip wie die Steuerlogik). Solche Technologien können mit Spannungen bis zu 200 Volt (und manchmal auch mehr) arbeiten und ermöglichen es Ihnen, auf einem einzigen Chip alles zu implementieren, was Sie zur Steuerung von Elektromotoren oder zur DC / DC-Umwandlung benötigen.
Abbildung 11. SOI-BCD-Querschnitt mit Hochspannungs-LDMOS-Transistor in einer isolierten TascheDie BCD-SOI-Technologie ergänzt all das mit einer vollständigen dielektrischen Isolation der Elemente, die den Widerstand gegen Thyristoreffekte und die Rauschisolation verbessert, die Betriebsspannung erhöht, es Ihnen ermöglicht, einfach High-Side-Schlüssel auf dem Chip zu platzieren oder beispielsweise mit negativen Spannungen zu arbeiten (erforderlich für leistungsstarke GaN-Schlüssel mit einem Schwellenwert darunter Null Volt). Auf dem gleichen Chip bieten Hersteller an, nichtflüchtigen Speicher, IGBT, Zener-Dioden zu platzieren ... die Liste ist lang, Sie können bei Präsentationen Bullshit-Bingo spielen.) Achten Sie auf die Tiefe der Siliziumschicht: Im Gegensatz zu den „üblichen“ SOI-Technologien, bei denen sie versuchen, sie zu minimieren, um sie loszuwerden Vom Boden der Drain- und Source-pn-Übergänge aus ist die Siliziumschicht im BCD sehr tief, was dazu beiträgt, einen akzeptablen Widerstand gegen elektrostatische Entladung und thermische Eigenschaften bereitzustellen. Gleichzeitig verhalten sich Transistoren genau wie volumetrische, nur mit vollständiger dielektrischer Isolierung. Neben der Zielgruppe der Automobilelektronikhersteller nutzen sie diese auch, um ihre nicht hochspannenden, aber strahlungsresistenten CMOS-Chips wie Milander oder Atmel herzustellen, die den Hauptvorteil von SOI ohne die üblichen Mängel nutzen.
Die Zukunft von CMOS und Alternativen
Selbst als Moores Gesetz aufgrund der Tatsache, dass die Verringerung der Größe von Siliziumtransistoren an physikalische Grenzen stieß, zu brechen begann, stellte sich heraus, dass es rentabler ist, CMOS weiterhin in Erinnerung zu rufen, als nach etwas grundlegend Neuem zu suchen. Natürlich wurden Investitionen in Alternativen und Fluchtwege investiert, aber die Hauptanstrengungen wurden darauf gerichtet, das Silizium-CMOS zu verbessern und die Kontinuität der Entwicklungen sicherzustellen. Für die Entdeckung von Graphen erhielten Novoselov und Game vor fast zehn Jahren den Nobelpreis. und wo ist das Graphen? Das ist richtig, wo Kohlenstoffnanoröhren und alle anderen Materialien der Zukunft sowie Silizium bereits mit der Produktion nach dem 5-nm-Verfahren begonnen haben und alles so weit geht, dass es auch 3 oder sogar 2 nm sein wird. Natürlich sind dies keine echten Nanometer (über die ich hier bereits bei Habr geschrieben
habe ), aber die Packungsdichte wächst weiter. Obwohl es sehr langsam ist, ist es immer noch ein Silizium-CMOS.
Abbildung 12. Gate All Around Samsung-Transistoren für 5 nm und darunter. Der nächste Schritt im Vergleich zu FinFET und die Antwort auf die Frage "Warum nicht Transistoren in mehrere Schichten packen?" Alle anderen Methoden sind erschöpft, jetzt sind mehrere Schichten an der Reihe. Wenn Sie sieben dieser Transistoren vertikal platzieren, erhalten Sie einen Nanometer anstelle von sieben!Sogar Siliziumoxid, für das ursprünglich alles konzipiert wurde, wurde Opfer von Fortschritten im CMOS! Es wurde durch komplexe Mehrschichtstrukturen auf Basis von Hafniumoxid ersetzt. Der Kanal wurde um Germanium erweitert, um die Mobilität zu erhöhen (bereits in Entwicklungen für BiKMOS-Mikrowellen getestet). Sie erreichen sogar Tests (vorerst Tests) in „Silizium“ -Transistoren eines n-Kanals aus A3B5-Materialien (mit hoher Elektronenmobilität) und eines p-Kanals aus Deutschland (mit hoher Lochmobilität). Über kleine Dinge wie das Ändern der Form des Kanals von flach zu dreidimensional (FinFET) und Marketingtricks mit der Anzahl der Designstandards reicht es nicht aus, eine Menge zu schreiben.
Was erwartet uns in Zukunft? Einerseits hat sich der Fortschritt der Siliziumtechnologie mit der Einführung der EUV-Lithographie und der Gate All Around-Transistoren bereits erschöpft; Die Verzögerung hinter den Plänen von ITRS vor zwanzig Jahren beträgt bereits etwa zehn Jahre. Intel hat seinen berühmten "Tick-Tack" Globalfoundries längst aufgegeben und sich vollständig geweigert, unter 14 nm zu fallen. Die Kosten für einen Transistor pro Chip haben mindestens die Standards von 28 nm erreicht und sind seitdem gestiegen. Und vor allem haben sich die Zielmärkte verändert. Viele Jahre lang war der PC-Markt der Treiber für die Reduzierung von Designstandards, dann wurden PCs auf Mobiltelefone umgestellt (um diese Zeit holten TSMC und Samsung Intel ein). Aber jetzt befindet sich der Markt für Mobiltelefone in einer Rezession und Stagnation. Es gab eine kurzfristige Hoffnung auf Chips für den Bergbau, aber dies scheint nicht gerechtfertigt zu sein.
Der neue Lieblingschiphersteller ist das Internet der Dinge. In der Tat ist der Markt groß, schnell wachsend und mit guten langfristigen Aussichten. Und vor allem: Für das Internet der Dinge sind Leistung und Anzahl der Elemente auf einem Chip keine entscheidenden Wettbewerbsvorteile, sondern ein geringer Stromverbrauch und niedrige Kosten. Dies bedeutet, dass der Hauptgrund für die Reduzierung der Designstandards verschwunden ist. Es gibt jedoch Gründe, die Technologie für bestimmte Aufgaben zu optimieren. Klingt interessant, nicht wahr? So etwas wie ... eine Pressemitteilung von Globalfoundries über die Einstellung der Arbeit bei 7 nm und die Konzentration bei 14/12 und 28/22 nm FDSOI. Darüber hinaus hat der Preisanstieg bei neuen Technologien in Verbindung mit dem harten Preiswettbewerb dazu geführt, dass die Chiphersteller es nicht eilig haben, auf neue Designstandards umzusteigen, nur weil sie dies können, sondern so lange auf den alten bleiben, wie es vernünftig ist, und heterogen zu integrieren Chips - aber jetzt nicht auf dem Brett, sondern im Gehäuse. "System auf einem Chip" wurde durch "System in einem Fall" ersetzt (ich habe bereits
ausführlicher darüber geschrieben ). Das Auftreten von Systemen im Gehäuse und im Internet der Dinge bietet unter anderem komplexen Halbleitern eine neue Chance, da die Platzierung des Galliumarsenid-Chips in einem Fall mit Silizium nicht mehr stört und die Notwendigkeit eines Funkwegs im System für das Internet der Dinge ganz offensichtlich ist. Gleiches gilt für eine Vielzahl von optischen Geräten, MEMS, Sensoren - und im Allgemeinen für alles, was in der Mikroelektronik neben CMOS auf Silizium vorhanden ist
Meine Prognose für die Weiterentwicklung der CMOS-Siliziumtechnologie und ihrer Ersatzstoffe lautet daher, dass wir eine radikale Verlangsamung bis zum völligen Stillstand sehen werden - ebenso unnötig - und dass wir in der Massenproduktion nichts grundlegend Neues sehen werden (Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Logik auf Memristoren) - wieder als unnötig. Zweifellos wird die Nutzung des vorhandenen technologischen Gepäcks jedoch weiter zunehmen. , , , . , : TSMC 15 200 , Globalfoundries 180 BCD . , . , , .