उंगलियों पर माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक तकनीक: मूर के नियम, विपणन चाल और क्यों नैनोमीटर अब समान नहीं हैं। भाग २

पहले भाग में, हमने सिलिकॉन भौतिकी, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी और तकनीकी सीमाओं की संक्षिप्त जांच की। अब चलो भौतिक सीमाओं और भौतिक प्रभावों के बारे में बात करते हैं जो एक ट्रांजिस्टर में तत्वों के आकार को प्रभावित करते हैं। उनमें से कई हैं, इसलिए मुख्य मार्ग से गुजरते हैं। यहां आपको भौतिकी में उतरना होगा, अन्यथा कुछ भी नहीं।

डिस्क्लेमर: एक बार जब मैं चिप मैन्युफैक्चरिंग के बारे में आर्टिकल लिखने में डूबा हुआ था, और आर्टिकल "इनसाइड लुक" की सीरीज़ में मैंने उनके अंदर भी देखा, यानी। विषय मेरे लिए बेहद दिलचस्प है। स्वाभाविक रूप से, मैं इसे हेबे पर प्रकाशित करने के लिए मूल लेख के लेखक को पसंद करूंगा, लेकिन रोजगार के संबंध में, उन्होंने मुझे इसे यहां स्थानांतरित करने की अनुमति दी। दुर्भाग्य से, हबर नियम सीधे कॉपी-पेस्ट की अनुमति नहीं देते हैं, इसलिए मैंने स्रोतों, चित्रों और थोड़ा गैग के लिंक जोड़े और पाठ को थोड़ा सीधा करने की कोशिश की। हां, और मैं इस विषय पर ( 1 और 2 ) लेखों को जानता और सम्मान करता हूं ।

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में भौतिक प्रभाव

सिलिकॉन के लिए मूल मात्रा का क्रम

क्रिस्टल में सिलिकॉन परमाणुओं की सांद्रता 10 ²² सेमी ^{-3 है}
कमरे के तापमान पर आंतरिक इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की एकाग्रता - 10 ¹⁰ सेमी ^-3
हल्के से डोप वाले क्षेत्रों से अशुद्धता परमाणुओं की एकाग्रता - 10 ¹⁶ -10 ¹⁸ सेमी ^-3
भारी doped क्षेत्रों से अशुद्धता परमाणुओं की एकाग्रता - 10 ¹⁹ -10 ²⁰ सेमी ^-3
बहुत भारी doped क्षेत्रों में अशुद्धता परमाणुओं की एकाग्रता 10 ²¹ सेमी ^{-3 है} । इस मामले में, एक पहले से ही पतित अर्धचालक की बात करता है, क्योंकि इस तरह की एकाग्रता (प्रति 10 या उससे कम सिलिकॉन परमाणुओं में एक अशुद्धता परमाणु) क्रिस्टल की ऊर्जा संरचना को बदल देती है।

सिलिकॉन विशेषताओं के तापमान पर निर्भरता

पहले भाग से हमें याद है कि कमरे के तापमान पर शुद्ध सिलिकॉन एक ढांकता हुआ है। एक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी केवल एक ट्रिलियन मामलों में उत्पन्न होती है, लेकिन यह अंश बढ़ते तापमान के साथ तेजी से बढ़ता है। ऐसी चीज है - खुद के चार्ज वाहक की एकाग्रता को दोगुना करने का तापमान। सिलिकॉन के लिए, यह लगभग 9 डिग्री है।

यानी तापमान में 9 डिग्री की वृद्धि, सिलिकॉन परमाणुओं के क्षय का प्रतिशत 2 गुना बढ़ जाता है; 18 डिग्री - 4 बार; 27 डिग्री - 8 बार; 36 डिग्री - 16 बार; 45 - 32 बार; 90 - 1024 बार; 180 - 10 ⁶ बार; 270 - 10 ⁹ बार।


तांबा, सिलिकॉन और जर्मेनियम की तापीय चालकता की तुलना। स्रोत

हम यह पाते हैं कि जब 200 डिग्री (ऊपर के ग्राफ में ~ 2.1) तक गर्म हो जाता है, तो इलेक्ट्रॉन-छेद युग्मों की आंतरिक एकाग्रता 10 ¹⁶ हो जाती है, जो हल्के से परतदार परतों की अशुद्धता सांद्रता के बराबर होती है। 300 डिग्री (~ 1.75) पर पहले से ही 10 ¹⁹ , यह भारी डोपेड परतों (एन + और पी +) की एकाग्रता है। इस तापमान पर, सिलिकॉन वास्तव में एक कंडक्टर में बदल जाता है और ट्रांजिस्टर नियंत्रणीयता खो देते हैं।

समस्याएं बहुत पहले से शुरू होंगी। चिप में तापमान असमान है। आमतौर पर चिप के बीच में स्थानीय हीटिंग क्षेत्र होते हैं। यदि एक छोटे से क्षेत्र में तापमान 200 डिग्री से अधिक हो जाता है, तो सिलिकॉन की आंतरिक चालकता में वृद्धि के कारण, रिसाव चालू होने लगता है। यह और भी अधिक हीटिंग की ओर जाता है, और यह लीकेज करंट को बढ़ाता है और ओवरहीटिंग के क्षेत्र को बढ़ाता है। प्रक्रिया अपरिवर्तनीय और ... बूम बन जाती है। और बेमतलब। इसलिए, सभी बड़े माइक्रोक्रिस्केट पर, ओवरहीटिंग के खिलाफ स्वचालित सुरक्षा सेट की जाती है।

यही कारण है कि क्रिस्टल के मजबूत हीटिंग की अनुमति नहीं देना इतना महत्वपूर्ण है।

तुलना के लिए, कमरे के तापमान पर गैलियम नाइट्राइड में आंतरिक इलेक्ट्रॉनों और छेदों की एकाग्रता, परिमाण के कम होने के कई आदेश हैं, और आंतरिक चार्ज वाहक की संख्या को दोगुना करने का तापमान लगभग 25 डिग्री है। गैलियम नाइट्राइड में ऊपर वर्णित समस्याएं लगभग 600-700 डिग्री से शुरू होती हैं।

सुरंग वर्तमान

यह घटना एक ही समय में जटिल और सरल दोनों है। जड़ें इलेक्ट्रॉन की क्वांटम प्रकृति में होती हैं। एक इलेक्ट्रॉन क्वांटम यांत्रिकी के नियमों द्वारा रहता है, जिसे हमेशा शास्त्रीय भौतिकी के दृष्टिकोण से नहीं समझा जाता है। इन कानूनों के अनुसार, एक इलेक्ट्रॉन न केवल एक कण है, बल्कि एक लहर भी है, और इसके व्यवहार की गणना केवल कुछ संभावना के साथ की जा सकती है। इस तरह के एक हाइजेनबर्ग सूत्र है:


इसे हाइजेनबर्ग अनिश्चितता संबंध भी कहा जाता है । यह सूत्र से इस प्रकार है कि इलेक्ट्रॉन के स्थानिक मापदंडों को एक निश्चित मूल्य (प्लैंक स्थिर) से अधिक सटीकता के साथ निर्धारित नहीं किया जा सकता है। समीकरण के चरम मामलों में, यदि हम इलेक्ट्रॉन के सटीक स्थान को जानते हैं, तो हम गति और गति की दिशा के बारे में कुछ भी नहीं जान पाएंगे। यदि आप वास्तव में गति और दिशा जानते हैं, तो उसके ठिकाने के बारे में कुछ भी पता नहीं चलेगा। यह पता चला है कि इलेक्ट्रॉन एक ऐसा कण है जो अंतरिक्ष में धुंधला होता है। किसी भी समय, कोई इलेक्ट्रॉन किसी भी बाहरी प्रभाव के बिना ब्रह्मांड में कहीं भी हो सकता है। सच है, इसकी उपस्थिति की संभावना वर्तमान स्थान से बहुत दूर है और गायब हो गया है।

अब धातु की संरचना की कल्पना करें - ढांकता हुआ - सेमीकंडक्टर एन-प्रकार (एमआईएस)। एक धातु में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों की एकाग्रता लगभग परमाणुओं की एकाग्रता (10 ²² / सेमी ³ ) के बराबर होती है। वे एक ढांकता हुआ में प्रवेश नहीं कर सकते, क्योंकि एक धातु से इलेक्ट्रॉनों के लिए यह निषिद्ध ऊर्जा का एक क्षेत्र है। ढांकता हुआ के अंदर, एक धातु के रूप में ऊर्जा के साथ एक इलेक्ट्रॉन लहर हस्तक्षेप करना शुरू कर देगी (स्वयं-विनाश)। लेकिन वे एक एन-प्रकार अर्धचालक में भौतिक कर सकते हैं, जहां उनके लिए अनुमत ऊर्जाओं का एक क्षेत्र है। इलेक्ट्रॉन किसी भी बाहरी प्रभाव के बिना एक धातु से अर्धचालक तक ऑक्साइड परत से गुजरते हैं, केवल उनके संभाव्य स्वभाव के कारण। यह सुरंग चालू है । इस प्रक्रिया को ही टनलिंग, या क्वांटम टनलिंग (कूलर लगता है!) कहा जाता है।

ऑक्साइड में "शास्त्रीय" पैठ के लिए इलेक्ट्रॉन में अतिरिक्त ऊर्जा को जोड़ना होगा, जिसे संभावित अवरोध कहा जाता है। योजनाबद्ध रूप से, एक इलेक्ट्रॉन एक संभावित अवरोध के माध्यम से एक सुरंग से गुजरता है।



विपरीत दिशा में एक प्रवाह है - एक अर्धचालक से एक धातु तक। लेकिन चूंकि अर्धचालक में मुक्त इलेक्ट्रॉनों की एकाग्रता परिमाण के कई क्रम कम होते हैं, इसलिए रिवर्स प्रवाह आनुपातिक रूप से छोटा होता है।

एक धातु से इलेक्ट्रॉनों के लिए एक पी-प्रकार अर्धचालक भी निषिद्ध ऊर्जा का एक बैंड है। हालांकि, रिवर्स प्रक्रिया यहां संभव है - सिलिकॉन से छेद में उपस्थिति के साथ एक अर्धचालक से धातु तक वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की टनलिंग। ऐसा लगता है कि छेद धातु से सुरंग बना रहे हैं। तीव्रता, अन्य चीजों के बराबर, मुक्त इलेक्ट्रॉनों की टनलिंग की तुलना में लगभग 10 गुना कम है।

1 माइक्रोन से ऊपर की दूरी के लिए सुरंग की धारा की उपेक्षा की जा सकती है। बहुत कम संभावना और संक्रमण बहुत कम हैं। जैसे-जैसे दूरी घटती है, सहज संक्रमण की संभावना तेजी से बढ़ती है। एनएम की इकाइयों की दूरी पर, 0.2 एनएम के करीब आने पर टनलिंग करंट 10 गुना बढ़ जाता है।

एक समान तंत्र एनपीएन सिलिकॉन परतों के लिए काम करता है। एन-क्षेत्र से एक मुक्त इलेक्ट्रॉन के लिए, पी-क्षेत्र निषिद्ध ऊर्जा का एक बैंड है, कोई संक्रमण नहीं होता है। लेकिन अगर पी-बेस की चौड़ाई बहुत संकीर्ण है, तो इलेक्ट्रॉनों को स्रोत से सिंक तक सीधे सुरंग करना शुरू हो जाता है। यह सैद्धांतिक अधिकतम आधार चौड़ाई 8 एनएम तक सीमित करता है। टनलिंग करंट के कारण छोटे आकार में, स्रोत - ड्रेन ट्रांजिस्टर बेकाबू सिद्धांत में बन जाता है।

Pnp संरचनाओं के लिए, स्थिति समान है, लेकिन छेद (वैलेंस इलेक्ट्रॉनों) सुरंग।

निषिद्ध ऊर्जाओं के बैंड में पतित अर्धचालकों (भारी डोप्ड) में अनुमति प्राप्त ऊर्जाओं के द्वीप होते हैं। उनके लिए, इन द्वीपों के माध्यम से सुरंग बनाने का विकल्प संभव है। चिपके हुए शिलाखंडों पर कूदकर एक धारा को कैसे पार करना है।

अंतरिक्ष प्रभारी क्षेत्र (SCR)

अंतरिक्ष प्रभारी क्षेत्र (SCR), यह भी कमी क्षेत्र है, यह अंतरिक्ष प्रभारी क्षेत्र भी है - यह एक विद्युत आवेशित परत है जो n और p क्षेत्रों की सीमा पर बनता है।



मानसिक रूप से सिलिकॉन के 2 टुकड़े कनेक्ट करें, एक एन-प्रकार, दूसरा पी-प्रकार। एन-लेयर में कई फ्री इलेक्ट्रॉन होते हैं, पी-लेयर में कई छेद होते हैं, वे बेतरतीब ढंग से चलते हैं। मुक्त इलेक्ट्रॉनों का एक हिस्सा पी-परत, छिद्रों का हिस्सा एन-परत पर जाता है। नतीजतन, असंबद्ध सकारात्मक आयनों एन-परत में रहते हैं, और नकारात्मक आयनों को पी-परत में मुआवजा नहीं दिया जाता है। एक स्थानीय विद्युत क्षेत्र क्षेत्रों की सीमा के साथ दिखाई देता है, जो आगे संक्रमण को बाधित करना शुरू कर देता है। क्षेत्र की ताकत सीमा पर अधिकतम है, और धीरे-धीरे दूरी के साथ घट जाती है। अंत में, क्षेत्र की ताकत ऐसी हो जाती है कि छेद और इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण बंद हो जाता है और एक संतुलन राज्य स्थापित होता है। सिलिकॉन के लिए, ऐसे आंतरिक क्षेत्र का वोल्टेज लगभग 0.5 वोल्ट है। दोनों पक्षों पर अशुद्धता एकाग्रता पर निर्भर करता है। निर्भरता कमजोर है, लगभग 0.1 वोल्ट जब एकाग्रता 10 बार बदलती है।

सीमा पर एक विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति के अलावा, मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की एकाग्रता में कमी है। परतों की सीमा पर सीधे शून्य पर। इसलिए दूसरा नाम - "गिरा हुआ क्षेत्र" है। इस क्षेत्र की चौड़ाई संक्रमण पर वोल्टेज और अशुद्धियों की एकाग्रता पर निर्भर करती है। अशुद्धियों की एकाग्रता पर निर्भरता विपरीत रूप से द्विघात है, अर्थात। 100 के एक कारक द्वारा एकाग्रता में वृद्धि के साथ, एससीआर की चौड़ाई 10 के कारक से घट जाती है (वास्तव में, थोड़ा कम, क्योंकि जंक्शन पर वोल्टेज बढ़ता है)।

यह एक ऐसी स्थिति है जहां संरचना में बाहरी वोल्टेज लागू नहीं किया जाता है।

यदि आप एक बाहरी वोल्टेज लागू करते हैं, तो यह आंतरिक के साथ सदिश होता है।



हम जंक्शन पर एक छोटे से आगे के वोल्टेज को लागू करते हैं, अर्थात। प्लस-(+) से पी-लेयर, माइनस (-) से एन-लेयर तक। बाहरी और आंतरिक क्षेत्र अलग-अलग दिशाओं में निर्देशित होते हैं और एक-दूसरे की भरपाई करने लगते हैं। संक्रमण वोल्टेज और एससीआर चौड़ाई कम हो जाती है। जब बाहरी क्षेत्र का वोल्टेज आंतरिक से अधिक हो जाता है, तो एससीआर गायब हो जाता है, पीएन जंक्शन पूरी तरह से खुल जाता है। सेमीकंडक्टर डायोड के लिए भी ऐसा एक पैरामीटर है - थ्रेशोल्ड वोल्टेज। यह आगे का वोल्टेज है जिस पर डायोड पूरी तरह से खुलता है।



अब रिवर्स वोल्टेज: माइनस (-) से पी-लेयर, प्लस (+) से एन-लेयर पर अप्लाई करें। बाहरी और आंतरिक क्षेत्र जोड़ते हैं, जंक्शन पर वोल्टेज और एससीआर की चौड़ाई में वृद्धि होती है।

यदि हम इस मॉडल को अपने क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर में स्थानांतरित करते हैं, तो हमें नीचे दी गई तस्वीर मिलती है:



हल्के गुलाबी कम हुए क्षेत्रों (SCR) को दर्शाता है। हमें पता चलता है कि सक्रिय आधार की वास्तविक चौड़ाई, जिसे गेट वोल्टेज द्वारा नियंत्रित किया जाता है, स्रोत-नाली की दूरी से कम है। यही है, आधार का आकार एससीआर संक्रमण की चौड़ाई शून्य से। आपूर्ति वोल्टेज की अनुपस्थिति में, स्रोत और नाली के एससीआर की चौड़ाई समान है। यदि आप ऑपरेटिंग वोल्टेज लागू करते हैं, तो नाली के एससीआर की चौड़ाई बढ़ जाती है, क्योंकि यह रिवर्स पूर्वाग्रह के तहत है। सक्रिय आधार और भी अधिक संकरा है:



यदि आधार बहुत छोटा है, तो नाली और स्रोत का एससीआर जुड़ा हुआ है। सक्रिय आधार की चौड़ाई 0 हो जाती है, नाली से स्रोत तक प्रवाह के माध्यम से, ट्रांजिस्टर खुलता है। शटर पर वोल्टेज के बावजूद। ट्रांजिस्टर बेकाबू हो जाता है। प्रभाव को "बेस पंचर" कहा जाता है ( ध्यान दें: जैसा कि F376 सही ढंग से नोट किया गया है , सबसे अधिक संभावना है, हम "बेस ब्रेकडाउन") के बारे में बात कर रहे हैं।

अभी भी एक मध्यवर्ती विकल्प है जब एससीआर बंद नहीं होता है, लेकिन स्रोत से रनऑफ़ के एससीआर की सीमा की दूरी 8 एनएम से कम है। फिर, एससीआर में, इलेक्ट्रॉन स्रोत से सुरंग बनाना शुरू करते हैं। एक बार एससीआर में, उन्हें एक विद्युत क्षेत्र द्वारा नाली में फेंक दिया जाता है। सीधे शब्दों में कहें, तो एक अच्छी सुरंग का प्रवाह स्रोत से लेकर नाली तक होगा।

हिमस्खलन टूटना

यदि एससीआर के अंदर विद्युत क्षेत्र बहुत अधिक हो जाता है, तो एक इलेक्ट्रॉन जो गलती से उड़ जाता है, उसमें इतनी तेजी आ जाती है कि वह एक तटस्थ परमाणु से इलेक्ट्रॉन को हटा देता है। 2 इलेक्ट्रॉन दिखाई देते हैं, वे फिर से इलेक्ट्रॉनों को गति देते हैं और पट्टी करते हैं, आदि। प्रक्रिया एक हिमस्खलन जैसा दिखता है, इसलिए नाम। एक प्रवाहकीय चैनल एससीआर में दिखाई देता है जिसके माध्यम से वर्तमान प्रवाह होता है। ट्रांजिस्टर अनायास खुल जाता है।

गेट ढांकता हुआ में एक समान स्थिति हो सकती है। यदि क्षेत्र की ताकत दहलीज से ऊपर है, तो धातु से उड़ने वाला एक "तेज" इलेक्ट्रॉन तेज हो जाता है और हिमस्खलन का कारण बनता है।


विभिन्न प्रकार के टूटने की स्पष्ट तुलना। स्रोत

इस तरह के हिमस्खलन टूटने से बचने के लिए, ब्रेकडाउन मूल्य से अधिक क्षेत्र की ताकत को रोकने के लिए आवश्यक है। क्षेत्र शक्ति = तनाव / लंबाई। यानी वोल्टेज को कम करना और एससीआर की चौड़ाई (या ढांकता हुआ की मोटाई) को बढ़ाना आवश्यक है।

विद्युत प्रतिरोध क्षेत्रों

यह पहले से ही एक क्लासिक इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग है। और नाली, और स्रोत, और चैनल, और यहां तक ​​कि प्रवाहकीय धातु पटरियों का अपना विद्युत प्रतिरोध है। प्रतिरोध अधिक है, भूखंड की लंबाई अधिक और क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र छोटा है।

मान लीजिए कि हम ट्रांजिस्टर के सभी तत्वों को आनुपातिक रूप से 2 गुना कम कर देते हैं। लंबाई कम करने से, अनुभाग का प्रतिरोध 2 गुना कम हो जाता है , और चौड़ाई और ऊंचाई को कम करके 4 गुना बढ़ जाता है । कुल में, यह तत्व के प्रतिरोध में 2 गुना की वृद्धि देता है। वर्तमान के पारित होने के साथ, प्रतिरोध एक वोल्टेज ड्रॉप का कारण बनता है। 1 V और उससे नीचे के क्षेत्र में ट्रांजिस्टर के उतार-चढ़ाव के लिए, यहां तक ​​कि एक छोटा वोल्टेज ड्रॉप भी महत्वपूर्ण होगा।

धातुकरण के लिए, यह प्रश्न बस हल किया गया था - धातु की पहली संकीर्ण परत सेल के अंदर केवल तत्वों को जोड़ती है। बाकी सब कुछ धातु के ऊपरी स्तर पर लाया जाता है: वहां ऑक्साइड की परत मोटी और पटरियों को चौड़ा किया जाता है। फिर भी, संपर्क विंडो और धातुकरण पटरियों का आकार असीम रूप से कम नहीं किया जा सकता है।

सिलिकॉन के क्षेत्रों के लिए, प्रतिरोध की वृद्धि को अशुद्धियों की एकाग्रता में वृद्धि द्वारा मुआवजा दिया गया था। कम से कम कुछ समय पहले तक, जब तक कि सुरंग खोदने और टूटने का प्रभाव प्रभावित नहीं हुआ।

एक और तरीका था "स्ट्रेच्ड सिलिकॉन", या "स्टैंक्ड सिलिकॉन" की तकनीक। इसका सार यह है कि जर्मेनियम की एक परत एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर जमा होती है। जर्मेनियम क्रिस्टल के समान समूह का एक तत्व है, जो क्रिस्टल संरचना में समान है। हालांकि, जर्मेनियम परमाणु क्रमशः बड़े होते हैं, क्रिस्टल जाली में उनके बीच की दूरी अधिक होती है। फिर, जर्मेनियम के ऊपर एक पतली एपीटैक्सियल सिलिकॉन फिल्म बनाई जाती है। फिल्म में सिलिकॉन जर्मेनियम की क्रिस्टलीय संरचना को दोहराना शुरू कर देता है, क्रिस्टल जाली का चरण जर्मेनियम और साधारण सिलिकॉन की तुलना में अधिक होगा। यह पता चला है कि सिलिकॉन सभी दिशाओं में फैला हुआ था। इसलिए नाम। इससे इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की गतिशीलता में वृद्धि होती है।

भौतिक प्रभावों का संयुक्त प्रभाव

अब इन प्रभावों के प्रभावों पर एक साथ विचार करें।

ट्रांजिस्टर के लघुकरण में मुख्य खतरा एक पंचर आधार है। इसे हटाने के लिए, आपको एससीआर की चौड़ाई कम करने की आवश्यकता है। बाहरी तनाव को कम करके और आधार में अशुद्धियों की एकाग्रता को बढ़ाकर इसे कम किया जा सकता है।

आपूर्ति वोल्टेज को कम करने के लिए कहीं नहीं है, यह पहले से ही 1V के क्षेत्र में है - लगभग दो थ्रेसहोल्ड। यदि हम इससे भी कम करते हैं, तो हम विद्युत प्रतिरोध के कारण ट्रांजिस्टर के "स्लेटेड" खुलने का जोखिम उठाते हैं।

आप डेटाबेस में अशुद्धियों की एकाग्रता को बढ़ा सकते हैं, लेकिन फिर हम प्राप्त करते हैं:

• नाली से आधार तक सुरंग के रिसाव की धारा में तेज वृद्धि;
• संक्रमण के एक हिमस्खलन के टूटने का खतरा बढ़ गया;
• गेट ढांकता हुआ के टूटने के जोखिम के साथ, चैनल को उत्प्रेरण के लिए वोल्टेज की दहलीज बढ़ाना।

इन सीमाओं के कारण, आधार में अशुद्धियों की एकाग्रता 10 ¹⁸ -10 ¹⁹ पर निर्धारित होती है ।

ये सभी और अनाम कारक 25 एनएम के क्षेत्र में सिलिकॉन MOS ट्रांजिस्टर के लिए न्यूनतम आधार चौड़ाई को प्रतिबंधित करते हैं। यह कम संभव है, लेकिन रिसाव चालू अपर्याप्त हो जाता है और विफलता की संभावना तेजी से बढ़ जाती है।


90 एनएम और 32 एनएम प्रक्रिया प्रौद्योगिकी पर किए गए ट्रांजिस्टर का माइक्रोग्राफ। ज़ूम और स्केल समान हैं। स्रोत

जैसा कि हम देख सकते हैं, धातु संपर्कों का आकार बहुत छोटा हो गया है, लेकिन आधार की चौड़ाई नहीं बदली है। वही सभी 25 एन.एम. इसके अलावा, 14 एनएम, 10 एनएम और 7 एनएम की तकनीक का उपयोग करने वाले ट्रांजिस्टर के लिए, यह एक ही है ( उफ़्फ़! )।

यह पहली बार सामना किया गया था जब 130 एनएम से पहली 90 एनएम श्रृंखला के लिए आगे बढ़ रहा था। फिर पहली बार वे अन्य सभी आकारों के अनुपात में आधार की चौड़ाई को कम नहीं कर सके, यह लगभग 35 एनएम था। बाद में, यह अभी भी 25 एनएम तक कम हो गया था, लेकिन तब से आधार की चौड़ाई अब तकनीक के अनुपात के अधीन नहीं रही है। और जितने छोटे ट्रांजिस्टर बने, उतने ही यह प्रकट हुए।

तकनीकी प्रक्रियाओं के मानदंडों को बदलना आवश्यक था। तुमने क्या किया है? अधिकांश ने कुछ नहीं किया। उन्होंने तकनीकी प्रक्रिया के आदर्श के रूप में फोटोलिथोग्राफी की अनुमति जारी करना जारी रखा। या सबसे सरल और सहज ऑपरेशन की अभिव्यक्ति के रूप में धातुकरण पथ की न्यूनतम चौड़ाई। और फिर हम विपणन के लिए आगे बढ़ते हैं ...

सबसे रचनात्मक विपणक इंटेल से आए थे। उन्होंने तत्वों के आकार से तकनीकी प्रक्रिया दर की गणना करना शुरू किया, उदाहरण के लिए, स्थिर मेमोरी के छह-ट्रांजिस्टर सेल के क्षेत्र के आधार पर। 65 एनएम लिथोग्राफी के संकल्प के साथ प्रौद्योगिकी में, यह 0.77 माइक्रोन ^{2 था} , और 40 एनएम के संकल्प पर यह 0.37 माइक्रोन ^{2 हो गया} । यदि ट्रांजिस्टर के आकार को पहले की तरह आनुपातिक रूप से कम किया गया था, तो यह 45 एनएम की तकनीक से मेल खाती है। तो हम मान लेंगे कि हमारे पास 45 एनएम तकनीक है। यह वह जगह है जहां इंटेल प्रौद्योगिकी और अन्य के बीच विसंगतियां आईं - सभी के लिए 28 एनएम, इंटेल के लिए 32 एनएम; सभी के लिए 20 एनएम, इंटेल के लिए 22 एनएम; सभी के लिए 10 एनएम, इंटेल के लिए 14 एनएम।

जैसा कि बाद के इतिहास ने दिखाया, इंटेल अपने प्रतिस्पर्धियों की तुलना में अधिक ईमानदार था।

रिसाव की धाराओं का प्रभाव

2010 में पहले से ही एक लेख से एक अद्भुत कार्यक्रम है:


स्रोत

ग्राफ काम करने का प्रतिशत और ऊर्जा की खपत को दर्शाता है। रिचार्ज धाराओं (ऑपरेटिंग करंट), पर्पल - लीकेज धाराओं (आवारा धारा) के परिणाम के रूप में ब्लू - एनर्जी रिलीज। यह उन कदमों को ध्यान में रख रहा है जो आवारा धाराओं को कम करने के लिए उठाए गए हैं।

प्रोसेसर क्लॉक स्पीड के बढ़ने का कारण स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। 3 गीगाहर्ट्ज ( पेंटियम 4 , उदाहरण के लिए) में पहला प्रोसेसर 2000 के दशक की शुरुआत में दिखाई दिया। तो इस स्तर पर और बने रहे। आमतौर पर यह इस तथ्य से समझाया जाता है कि कोर की संख्या बढ़ गई है, तर्क अधिक जटिल हो गया है, पाइपलाइनिंग गहरा हो गई है, इसलिए स्थिरता और, सामान्य रूप से, गिगाहर्ट्ज़ में खुशी बढ़ गई है। आंशिक रूप से सच है। लेकिन! - .

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अब दुनिया में केवल 3 कंपनियां हैं जिन्होंने इस तकनीक में महारत हासिल की है। ये अमेरिकन इंटेल, कोरियन सैमसंग और ताइवानी TSMC हैं। यहां तक ​​कि एएमडी की पूर्व बेटी GlobalFoundries भी इस प्रक्रिया से बाहर हो गई है। AMD वर्तमान में TSMC से प्रोसेसर ऑर्डर कर रहा है और उसने सैमसंग के साथ एक समझौता किया है।

धातुकरण के बारे में थोड़ा सा

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मैं क्यों हूँ! चूंकि पहले धातु ट्रैक की मोटाई न्यूनतम है, इसलिए इसे अक्सर तकनीकी प्रक्रिया के मानक के रूप में इंगित किया जाता है। FinFET तकनीक में, लकीरों के बीच का स्थान ऑक्साइड से भरा होता है। हाई-के ढांकता हुआ, गेट, लकीरें और गर्त के ऊपर एक काफी मोटी परत। गर्तों के ऊपर पहली रुकावट की परत को इन रुकावटों के लिए हटा दिया जाता है। विद्युत प्रतिरोध को कम करने और धक्कों की भरपाई करने के लिए पटरियों को स्वयं व्यापक बनाया जाता है। यानीसबसे छोटी संभव ट्रैक की चौड़ाई और वास्तविकता को भी अलग किया गया।


टुकड़े टुकड़े में धातुई पाई

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CMOS, FinFET GAAFET . स्रोत

यानी , . : ? — . UPD: F376 , FinFet . Gate-All-Around FET , .

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तो, तीन नेता बाहर खड़े थे - इंटेल, सैमसंग और टीएसएमसी। इंटेल अपने ब्रांडों के तहत उत्पादन करता है, बाकी मुख्य रूप से ऑर्डर पर है। ब्रांड के तहत एएमडी, एनवीआईडीआईए, क्वालकॉम, ऐप्पल, आईबीएम टीएसएमसी या सैमसंग कारखानों में निर्मित चिप्स छिपा रहे हैं। कुछ पुराने नेता एक बाधा में गिर गए या भाग गए। चीनी बड़ी लीग में टूटने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन अभी तक बहुत सफलतापूर्वक नहीं: उनके पास अपने तकनीकी आधार की कमी है, और उपकरणों के उत्पादन में दुनिया के नेता चीनी के लिए नवीनतम तकनीकी लाइनों को रखते हैं।

विशेषज्ञों का आशावाद बल्क संरचनाओं के संक्रमण और ईयूवी लिथोग्राफी के उपयोग की शुरुआत से जुड़ा हुआ है। सैमसंग और टीएसएमसी ने सबसे नाजुक संरचनाओं के लिए इसका उपयोग सीमित सीमा तक करना शुरू किया। इससे उन्हें 7 एनएम के मानकों को प्राप्त करने और भविष्य में 5 एनएम तक रिपोर्ट करने का अवसर मिलता है। हालांकि, जैसा कि पहले ही वर्णित है, इन नंबरों का वास्तव में बहुत कम प्रभाव होता है। समान इंटेल ने आम तौर पर EUV को छोड़ दिया। जाहिरा तौर पर, वे यह नहीं मानते हैं कि इससे प्रदर्शन में सुधार होगा।

दूसरी ओर, विषय के लोग समझते हैं कि मूर युग समाप्त हो गया है, और उत्पादकता वृद्धि में प्रत्येक नए कदम के लिए अधिक प्रयास और समय की आवश्यकता होगी। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक का तेजी से विकास समाप्त होता है ( sob! )। मोटर वाहन उद्योग और विमानन में यह एक बार कैसे हुआ। विस्फोटक वृद्धि के बाद, धीमी गति से विकास होता है।

होनहार सफलता बिंदुओं में से, कोई अन्य सामग्री (सिलिकॉन नहीं) और मल्टीलेयर माइक्रोकैक्रयूट्स (3 डी एकीकरण - एएमडी के विचारों को बधाई) के निर्माण के लिए संक्रमण को बाहर कर सकता है। 3 डी एकीकरण के लिए, आपको गर्मी पीढ़ी को काफी कम करना होगा या गर्मी लंपटता को बढ़ाना होगा।

यह सब ट्रांजिस्टर आकार के लिए है। दूसरे में उत्पादकता वृद्धि के अन्य भंडार हैं। उदाहरण के लिए, वास्तुकला के अनुकूलन में। आप मार्केटिंग मूव भी कर सकते हैं, यह कहते हुए कि बेहतर आर्किटेक्चर वाला एक नया प्रोसेसर काम करता है जैसे कि यह 0.5 एनएम तकनीक वाला पुराना था। इसलिए, हम इसे 0.5 एनएम के रूप में चिह्नित करते हैं। और उसके साथ अंजीर करता है कि ट्रांजिस्टर के आयाम समान हैं।

ट्रांजिस्टर के संयोजन से नई प्रकार की कोशिकाओं को बनाना संभव है। उदाहरण के लिए, 6 ट्रांजिस्टर मेमोरी कोशिकाओं के बजाय, पारस्परिक प्रभाव के जटिल भौतिकी के साथ 2 ट्रांजिस्टर संरचनाएं बनाएं। यहां की वॉल्यूमेट्रिक संरचनाएं कई अवसर प्रदान करती हैं।

शारीरिक सीमा

कोई कह सकता है कि लेखक की निराशावाद उचित नहीं है। वे प्रतिबंधों के इर्द-गिर्द आने के रास्ते तलाशते हैं। शायद पहले जितना तेज़ नहीं, लेकिन फिर भी।

तथ्य यह है कि अभी भी भौतिक प्रक्रियाएं हैं जिन्हें बायपास नहीं किया जा सकता है। मुख्य पदार्थ परमाणुओं से बने पदार्थ हैं, और आवेश वाहक इलेक्ट्रॉन हैं। एक परमाणु से छोटा एक ट्रांजिस्टर बनाने के लिए काम नहीं करता है। यह 1000 से भी कम परमाणु बनाने के लिए काम नहीं करेगा। क्योंकि एक इलेक्ट्रॉन और हाइजेनबर्ग का अनिश्चितता का संबंध है। एक इलेक्ट्रॉन एक बहुत अस्थिर कण है, कम या ज्यादा स्थिर व्यवहार केवल हजारों और लाखों इलेक्ट्रॉनों की एक सरणी के लिए संभव है। एक इलेक्ट्रॉन पर, आप केवल श्रोडिंगर बिल्ली को नष्ट कर सकते हैं।

नोट: यद्यपि एकल-इलेक्ट्रॉन ट्रांजिस्टर ( 1 , 2 और 3 ) पर विकास होते हैं

वर्तमान आकारों में भी, ट्रांजिस्टर के सहज संचालन के कारण टकराव होता है। यदि टक्कर की संभावना 10 ^-9 (प्रति बिलियन) है, तो GHz में अरबों और आवृत्तियों में तत्वों की संख्या के साथ, यह प्रति चक्र औसतन 1 टक्कर देता है, या प्रति सेकंड कई बिलियन टकराव होता है। इन्हें पकड़ने के लिए, संचालन की अखंडता की निगरानी के लिए सिस्टम हैं, और एक संदिग्ध ऑपरेशन को फिर से निष्पादित करने के लिए भेजा जाता है।

लघुकरण के साथ, टकरावों की संख्या बहुत तेजी से बढ़ने लगती है। नतीजतन, हम लघुकरण से शून्य या यहां तक ​​कि नकारात्मक प्रभाव की स्थिति में आते हैं। यानी ट्रांजिस्टर कम बने, वे क्रिस्टल में अधिक फिट होते हैं, लेकिन टकराव और पुनर्संसाधन चक्र के विकास के कारण कुल उत्पादकता में वृद्धि नहीं हुई। या शायद गिर भी गया। और यह दहलीज काफी क्षितिज पर है।

घरेलू डिजिटल माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के बारे में कुछ शब्द

आम धारणा के विपरीत, 1985 तक नेताओं से यूएसएसआर का अंतराल इतना बड़ा नहीं था। लगभग 3-4 साल। यह तब होता है जब हम ज़ेलेनोग्रैड में प्रमुख उद्यम लेते हैं (ध्यान दें: बारसमॉनस्टर ने उस समय माइक्रोन के बारे में लिखा था )। मूर के कानून के तहत, यहां तक ​​कि 3-4 साल के अंतराल ने प्रदर्शन को बहुत प्रभावित किया। पीएन जंक्शनों की स्पष्टता के साथ उच्च-गुणवत्ता वाले ऑक्साइड प्राप्त करने में समस्याएं थीं। यदि हम एक मामले में पैकिंग चिप्स के साथ एक रूढ़िवादी नीति को जोड़ते हैं (लंबी संपर्क लाइनें उपकरणों की उत्पादकता में वृद्धि नहीं करती हैं), साथ ही बोर्डों के उत्पादन के लिए सोवियत मानक और लोहे के एक गुच्छा के साथ मामलों (जो सोवियत टेप को समझने वाले असंतुष्ट होंगे), हमें कच्चा लोहा के साथ सोवियत चिप के बारे में एक मजाक मिलेगा ले जाने के लिए संभालती है।

बैकलॉग के कई कारण हैं। बाद में शुरुआत में, सीमित संसाधन, संसाधनों का छिड़काव। जब अमेरिकियों ने CMOS पर ध्यान केंद्रित किया, तो हमारा विभिन्न तकनीकों के साथ प्रयोग जारी रहा। उन्होंने सिलिकॉन विकल्प के साथ काफी सक्रिय रूप से काम किया, मुख्य रूप से ए ₃ बी ₅ सामग्री के साथ। खैर, देर से सोवियत शोध संस्थानों के सामान्य विश्राम।

1985 के बाद, अमेरिकियों ने अचानक शुरुआत की, और हमें समस्याएं होने लगीं। फिर 1990 के दशक, जब उद्योग में जीवन जड़ता से गर्म था। परिणामस्वरूप, उन्होंने 800 एनएम तकनीक के साथ 21 वीं सदी में प्रवेश किया, जब नेताओं ने पहले ही 130 एनएम तूफान कर दिया था। उद्योग का दूसरा जीवन कार्डों और सरकारी आदेशों के बड़े पैमाने पर चित्रण द्वारा दिया गया था। स्टील का मुख्य उत्पादन: सिम-कार्ड, बैंक कार्ड, भुगतान कार्ड, परिवहन और डिस्काउंट कार्ड और अन्य उपभोक्ता वस्तुओं के लिए चिप्स। बड़े गीगाहर्ट्ज़ और छोटे नैनोमीटर की ज़रूरत नहीं है।

नोट: वैसे, जबकि मॉस्को समय में एक बार के टिकट (खरीदे-उपयोग-थ्रू-आउट, एक कारखाने के साथ लोड किए गए) हैं, उसी चीन में वे संसाधन-बचत प्रौद्योगिकियों को सक्रिय रूप से बढ़ावा दे रहे हैं, विशेष रूप से, मेट्रो पर "टोकन" (यहां तक ​​कि एक छोटी यात्रा के लिए) का पुन: प्रयोज्य उपयोग। ।


फिर भी, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के "बड़े लीग" में प्रवेश करने का प्रयास है। विकास चार मुख्य दिशाओं में जाता है।

1. "संप्रभु" तकनीकी प्रक्रियाएं। घरेलू उपकरणों और हमारी अपनी तकनीकी प्रक्रियाओं पर एक पूर्ण उत्पादन चक्र बनाने का प्रयास। हम उसी रास्ते का अनुसरण करते हैं जो नेताओं ने 20 साल पहले लिया था, लेकिन पाया गया रेक और समाधान को ध्यान में रखते हुए। उत्तरार्द्ध में, जो खुले स्रोतों में था, श्रृंखला में 250 एनएम और कार्यान्वयन प्रक्रिया में 150 एनएम है। इसमें 13.5 एनएम पर हमारे स्वयं के EUV लिथोग्राफी सेटअप बनाने का प्रयास भी शामिल है और इस तरह तुरंत बाहर निकलते हैं यदि बड़ी लीग में नहीं, तो उनके करीब।
2. अग्रणी निर्माताओं से तकनीकी लाइनों की खरीद। यहां समस्या यह है कि सबसे आधुनिक प्रतिष्ठान हमें सबसे अच्छे वर्षों में भी नहीं बेचे गए थे। आमतौर पर वे अप्रचलित लाइनें बेचते हैं जिन्हें बंद कर दिया गया है। अब, प्रतिबंधों के संबंध में, और भी अधिक। यहां हम 180 एनएम विनिर्माण प्रक्रिया के तहत 2007 में एएमडी ड्रेसडेन संयंत्र के उपकरण के एंगस्ट्रॉम द्वारा खरीद के साथ महाकाव्य को याद कर सकते हैं। या फ्रेंच STMicroelectronics से माइक्रोन 90 एनएम लाइन की खरीद के बाद 65 एनएम के लिए एक उन्नयन। जबकि यह रूस में सबसे पतली निर्माण प्रक्रिया है, वे प्रतिबंधों से पहले छीनने में कामयाब रहे। सच है, अब चीन के माध्यम से एक समाधान है - खरीद।
3. चीन या ताइवान में कारखानों में उत्पादन का आदेश दें। उसी समय, वास्तुकला और टोपोलॉजी हमारे साथ पूरी तरह से विकसित हुई है, अब हम अपना फोटो मास्क भी बनाते हैं । चीनी केवल अपने कारखानों में तकनीकी प्रक्रियाओं को पुन: पेश कर सकते हैं। हम अधिक उन्नत उत्पादक प्रोसेसर प्राप्त करते हैं, और सबसे आधुनिक प्रोसेसर सिस्टम के विकास में क्षमता विकसित करते हैं। यहां, कुलिबिन वैज्ञानिकों का एक समूह शामिल नहीं है, लेकिन बड़े डिजाइन दल। केवल अंतिम खंड, उत्पादन, पूर्ण चक्र से बाहर हो जाता है।
   
   नोट: बैकल को TSMC कारखाने में 28 एनएम के मानकों के अनुसार बनाया गया है। बैकाल के बाहर निकलने और उसके विश्लेषण के बारे में एक लेख ।
   
4. वैकल्पिक प्रौद्योगिकियों का विकास। यह होनहार प्रौद्योगिकियों का विकास है जो भविष्य में व्यापक हो सकता है। इसमें ए ₃ बी ₅ यौगिकों और हेटरोस्ट्रक्चर पर काम शामिल है, मुख्य रूप से गैलियम आर्सेनाइड और नाइट्राइड। साथ ही बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए इलेक्ट्रॉन बीम और एक्स-रे लिथोग्राफी का अनुकूलन करने का प्रयास करता है, जो आम तौर पर लिथोग्राफी की सीमाओं को हटा देता है।
   
   ध्यान दें: हमें देर अल्फेरोव से हेटरोस्ट्रक्चर पर एक मजबूत स्कूल विरासत में मिला है, लेकिन राज्य के समर्थन के साथ, ऑप्टोएएनजीएन ने इसे बढ़ाया नहीं है , बाजार और बाजार की स्थिति विफल हो रही है।
   

सामान्य तौर पर, रूसी माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के लिए स्थिति शानदार नहीं है। लेकिन उम्मीद है कि नेता शारीरिक सीमाओं के कारण अनिवार्य रूप से धीमा हो जाएंगे, और यहां हम धीरे-धीरे जल्दी कर रहे हैं, पीछे छूट गए हैं।

स्मृति और अंतिम कुछ दिनों में तीसरे भाग में अवसरों की खिड़कियों के बारे में अंतिम राग - देखते रहो!

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