Электронные технологии и элементы

Электронные технологии и элементы, на основе которых создавались ЭВМ, многократно изменялись. Машины 1-го поколения строились на электронных лампах, 2-го – на дискретных полупроводниковых приборах (диодах и триодах – транзисторах), 3-го и последующих – на интегральных полупроводниковых схемах. Изменялись электронные полупроводниковые элементы по виду используемых элементов, типу связей между транзисторами. В частности, использовались такие системы элементов, как:

· резисторно-диодные,

· резисторно-транзисторные,

· феррито-транзисторные,

· диодно-транзисторные,

· транзисторно-транзисторные.

Наибольшее распространение в современных интегральных схемах получили транзисторно-транзисторные системы элементов (ТТЛ – транзисторно-транзисторно логика), в которых роль резисторов и диодов выполняют транзисторы с фиксированными напряжениями на своих электродах. В этой системе обеспечивается полная однородность структуры микросхемы – они содержат только транзисторы, что облегчает технологию их изготовления.

 Архитектура используемых в ЭВМ транзисторов также изменялась:

· в машинах второго поколения применялись биполярные германиевые и кремниевые pnp и npn транзисторы,

· в интегральных схемах применяются униполярные полевые МОП-транзисторы (МОП — металл-окисел-полупроводник, или MOS: Metal-Oxide-Semiconductor).

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы имеют три электрода:

· затвор (аналог «базы» биполярных транзисторов),

· исток (аналог «эмиттера»),

· сток (аналог «коллектора»).

Затвор электрически изолирован от прочих электродов пленкой оксида кремния[7], управляет протеканием тока между истоком и стоком не путем диффузии электронов (как в npn-транзисторах) или дырок (как в pnp-транзисторах), а создаваемым им электростатическим полем. Поэтому МОП транзисторы и называются полевыми.

Униполярные транзисторы имеют большее быстродействие, нежели биполярные, ибо механизм их работы не связан с медленными диффузионными процессами. Элементы транзистора размещены на плоской кремниевой подложке (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Структура полевого транзистора

Изменялась и архитектура систем логических элементов. Полевые транзисторы имеют несколько разновидностей:

· nМОП

· pМОП

· МОП с дополнительной симметрией (КМОП-транзисторы — К омплиментарная структура М еталл- О ксид- П олупроводник, CMOS — C omplimentary M etal O xide S emiconductor).

Транзисторы nМОП с каналом n-типа работают на основе электронной проводимости. Транзисторы pМОП с каналом p-типа, работают на основе дырочной проводимости. Быстродействие транзисторов несколько выше, чем pМОП, поскольку электроны более подвижны, чем дырки. Униполярный транзистор во включенном состоянии может проводить ток в любом направлении.В настоящее время массовое применение имеют КМОП-транзисторы. Симметрия создается в схемах путем совместного использования nМОП и pМОП-транзисторов.

В КМОП-схемах[8] транзисторы nМОП и pМОП по отношению к источнику питания обычно оказываются последовательно включенными, а по отношению к выходному сигналу – параллельно включенными. Поскольку затворы nМОП или pМОП транзисторов включены параллельно, всегда один из этих транзисторов оказывается включенным, а другой — выключенным, и энергопотребление и выходное сопротивление КМОП схемы будет малым (небольшой ток будет протекать только в переходных режимах транзисторов). Затвор транзистора электрически изолирован от истока и стока, управление осуществляется электростатическим полем, поэтому входное сопротивление у полевых транзисторов очень большое.

Это обстоятельство создает удобство соединений КМОП-схем между собой и обеспечивает устойчивость их работы. КМОП-схемы имеют меньшее энергопотребление, нежели биполярные транзисторы и другие типы полевых транзисторов, могут более плотно упаковываться; созданные на их основе интегральные схемы могут исполняться в более миниатюрном масштабе микро-технологий.

В настоящее время КМОП-транзисторы применяются и в системах оперативной памяти, и в системах флэш-памяти. В модулях оперативной памяти для хранения одного бита информации используется конденсатор — «паразитная» емкость, имеющаяся между электродами транзистора (рис. 6.4.). Величина заряда этой емкости определяет хранимый бит: наличие заряда – «0», отсутствие заряда – «1» (иногда наоборот).

Рис. 6.4 Элемент памяти на полевых транзисторах

Управление схемой осуществляется:

· при записи информации — подачей потенциала на адресную шину 1 и записываемого бита по информационной шине 2,

· при считывании информации — подачей потенциала на адресную шину 3 и анализом изменения потенциала на выходной шине 4.

Для сохранения заряда емкости необходима постоянная его регенерация с периодом десятки миллисекунд. Поэтому такая память является энергозависимой и называется динамической. Схемы считывания сигнала (рис. 5.4) с шины 4 и схемы регенерации заряда емкости не показаны. Эти схемы могут быть различными и именно их организация определяет тип оперативной памяти: FPM DRAM, DRAM EDO, SDRAM, DR DRAM, DDR SDRAM и др.

В КМОП-транзисторах флэш-памяти для обеспечения энергонезависимости под основным затвором помещен еще один, так называемый плавающий затвор (рис. 6.5). Плавающий затвор имеет металлизацию (пленку из арсенида галлия, хрома, никеля, вольфрама и др.) для создания на границе раздела между металлом и полупроводником потенциального барьера Шотки[9], позволяющего хранить заряд конденсатора длительное время.

Рис. 6.5 Структура элемента флэш-памяти

В появившихся в 2002 году новых видах памяти FeRAM и MRAM используются сверхтонкие магнитные пленки, наносимые на поверхность кремниевой подложки интегральной схемы. Поверх этой пленки, изготовленной из ферроникелиевого сплава - магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), наносятся еще электроды. Эти электроды создают при пропускании через них электрического тока магнитное поле, намагничивающеемагнитные домены (или иначе, нано- магниты размером примерно 0,1 мкм) этой пленки в нужном направлении для записи кодов «1» и «0» и для считывания информации (рис. 6.6). 

Рис. 6.6 Кривая намагничивания материала с ППГ

Обозначения: H – напряженность магнитного поля, B – магнитная индукция материала, Hc – коэрцитивная сила материала, Bm – максимальная магнитная индукция, Br - остаточная магнитная индукция.

При подаче положительного импульса H, превышающего Hc, материал намагничивается до значения Bm, превышающего Br. После снятия внешнего поля H материал возвращается в состояние Br (запись 1). При подаче отрицательного импульса H, превышающего -Hc, материал намагничивается до значения -Bm. После снятия отрицательного импульса -H материал возвращается в состояние -Br (запись «0»). При считывании подается отрицательный импульс H, и скорость изменения магнитной индукции материала формирует электронный импульс, амплитуда напряжения которого у выхода равно:

При считывании «0» DB - минимально, и электрический импульс практически не возникает. При считывании «1» DB =Br-(-Br) = 2Br, DB большое, формируется импульс, кодирующий 1.

ПРИМЕЧАНИЕ

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса используются во всех внешних запоминающих устройствах на магнитных и магнито-оптических дисках, магнитных лентах и в ОЗУ на магнитных сердечниках.

Планарные микросхемы

Изготавливаются интегральные схемы с МОП-транзисторами по планарной технологии: на поверхность пластины из полупроводника (кремния) наносится защитный слой диэлектрика (обычно путем окисления поверхности для образования пленки из двуокиси кремния), в котором методами фотолитографии вскрывают микро-окна. Поверх слоя диэлектрика наносится металлическая пленка, имеющая в окнах контакт с поверхностью полупроводника. Через окна для создания электронно-дырочных переходов нужной (n или p) полярности проводится диффузия[10] материалов-доноров или акцепторов-электронов. Так как кремний — четырехвалентный химический элемент, то для образования p-областей используются трехвалентные материалы (бор, галлий, алюминий), а для создания n-областей — пятивалентные материалы (сурьма, мышьяк, фосфор).

Весьма перспективна разработанная в университете Баффало технология использования «самоорганизующихся» химических веществ — материалов с микроскопическими структурами («квантовыми точками») при изготовлении полупроводниковых приборов. По данным исследователей, из названных веществ даже при комнатной температуре самопроизвольно происходит реакция, приводящая к созданию регулярных микроскопических структур с ячейками диаметром 0,04 мкм (механизм образования таких структур подобен образованию эмульсии в жидкости). Параметры транзисторов зависят от масштаба технологического процесса их изготовления (масштаба технологии), который непрерывно уменьшается. Еще несколько лет назад использовались 0,15 - 0,11 мкм технологии, а в 2007 году уже начали использоваться 0,045 мкм технологии.

В 2003 году концерн IBM предложил комбинированную микросхему, в которой на одну и ту же подложку «кремний на изоляторе» (SOI) помещают одновременно и биполярные, и полевые транзисторы. Такая схема обладает меньшим энергопотреблением, а комбинированные чипы по технологии 0,065 мкм стали выпускаться в 2005 году. Уменьшение размеров транзисторов повышает плотность их размещения, уменьшает паразитные индуктивности и емкости электродов и позволяет повысить рабочую частоту микросхемы. Но при этом миниатюризация транзисторов (в ряде случаев толщина изолирующих слоев в транзисторе сопоставима с размерами атомов) приводит к росту паразитных токов утечки, что, в свою очередь, повышает энергопотребление и снижает устойчивость работы схемы. Снижение напряжения питания схемы уменьшает разогрев схем только частично, а мощность токов утечки может достигать сотен ватт.

Уменьшение токов утечки достигается следующими способами: использование медных проводников (вместо алюминиевых, имеющих большее удельное электрическое сопротивление); применение технологии напряженного (растянутого) кремния — strained Si (увеличение расстояния между атомами кристаллической решетки уменьшает удельное электрическое сопротивление).

ПРИМЕЧАНИЕ

В современных микросхемах толщина изолирующего слоя из диоксида кремния (SiO2) составляет всего 1,2 нанометра, то есть имеет толщину примерно 5-ти атомов, то ток утечки сравнительно велик и тепловыделение значительное (по оценкам экспертов почти 40% тепловыделения обусловлено утечками). Для улучшения электрических характеристик фирма Intel намерена заменить оксид кремния оксинитридом кремния (SiON) с другой диэлектрической проницаемостью. Новая технология (под кодовым номером 1266) с масштабом 0,045 мкм на базе 300 мм подложек, медных соединений и напряженного кремния намечено освоить в 2007 году.

В таблице 6.2 приведены кодовые номера технологических процессов и их некоторые характеристики.

Таблица 6.2 Кодовые номера технологических процессов изготовления транзисторов

Код процесса	P854	P856	P858	P1260	P1262	P1264	P1266	P1268
Год внедрения	1995	1997	1999	2001	2003	2005	2007	2009
Масштаб мкм	0,35	0,25	0,18	0,13	0,09	0,065	0,045	0,032
Металл проводников	Al	Al	Al	Cu	Cu	Cu	Cu	Cu
Канал	Si				Strained Si