Rohkem kui nelja aastakümne jooksul on transistorite mõõtmed eksponentsiaalselt vähenenud, mistõttu transistorite arv integraallülitustes on eksponentstsiaalselt kasvanud. Selline transistorite mahutihedusese kasv on saanud võimalikuks pideva väljaefekt-transisorite mõõtmete vähendamise läbi. Praeguse põlvkonna transistorites on mõõtmed vähendatud tasemele, millest edasi minnes halvenevad elektrilised tunnusjooned märgatavalt, muutes transistorite jätkuva eksponentsiaalse mõõtmete vähenemise ebatõenäoliseks. Viimasel ajal on siiski kerkinud esile uus põlvkond MOSFETe, millede parem geomeetria teeb võimalikuks arvutite jõudluse arenemise ka järgmisel kümnendil.
Klassikalised väljatransistorid
Joonis 1.
Klassikaline metalloksiid-väljatransistor on tänapäevase elektroonikatööstuse tööhobune. Väljatransistorid on need aluskomponendid, milledest ehitatakse mikroprotsessoreid, mälukiipe ja telekommunikatsiooni mikroskeeme. Moodne mikroprotsessor võib endas siasaldada rohkem kui 2 miljardit MOSFETi ja 32 gigabaidine mälukaart, kaaludes seejuures vaid 0,5g, koosneda 256 miljardist transistorist, mis on võrreldav kõigi Linnutee galaktikas asuvate tähtede arvuga. MOSFETid leiavad peamiselt kasutust lülititena mikroprotsessorite loogikaahelates, kuigi need suudavad täita ka teisi eesmärke. Õpikunäide MOSFETist on Joonisel 1.a. MOSFET koosneb kahest n-tüüpi pooljuhi piirkonnast, mis kannavad nime läte ja neel ning on omavahel eraldatud substraadiga – p-tüüpi pooljuhiga. Selline on n-tüüpi MOSFETI või NMOS seadme kirjeldus. P-tüüpi MOSFET ehk PMOS seade omab neelu, paisu ja lätte regioonides vastupidist juhtivust. Tavaliselt kasutatakse pooljuhtide tootmisel räni, kuid mikroelektroonika tööstuses kaalutakse kiiremate laengukandjate olemasolu tõttu ka teiste pooljuhtmaterjalide kasutuselevõttu.
Ideaalsel lülitil on avatud olukorras sellest läbi minev voolutugevus null ja suletud asendis on selle takistus null, mistõttu seda saab hetkeliselt sisse-välja lülitada ja vastupidi. MOSFETid on paraku aga mitteideaalsed seadmed. Väljalülitatud olekus ei ole voolutugevus null ja vool on piiratud. Ka ühest olekust teise lülitumine võtab aega. Transistori suurust vähendades muutuvad nende lülitamisomadused veelgi kehvemaks. Üks lahendus selle vastu on loobuda tasapinnalisest ehitusviisist ja luua paisuelektrood, mis on juhtiva kanaliga mitmest küljest ühenduses, parendades nii elektrostaatilist kanali juhtimist. Sellised mitmepaisulised arhitektuurid võimaldavad tranistorite suurust ilma nende omaduste kahjustamist vähendada.
Mitmepaisuline arhitektuur
Joonis 2. Mitmepaisuliste transistorite erinevad tüübid
Suurel osal klassikalistel MOSFETidel asub paisuelektrood isolaatori (oksiidi) peal, mis katab kanali piirkonna lätte ja neelu vahel. Sellises seadistuses on see seade planaarne ning kahemõõtmeline. Paisu elektrostaatilst kanali juhtimist on võimalik täiustada MOSFETi kuju modifitseerides või isolaatormaterjali muutmisel. Termin ,,mitmepaisuline” pole ehkki kõige täpsem, kuna neil seadmetel on siiski vaid üks paisuelektrood. See tähendab vaid seda, et elektrood on kanali piirkonnas mitmest küljest pakitud. Joonisel 2 on kujutatud erinevad näited mitmepaisulistest seadmetest: uime-väljatransistor (FinFET), kolmikpaisuga (tri-gate) MOSFETid, pais-ümber-kõige (milles paisuelektrood katab kõiki kanali piirkondi) ja pii-paisu ning oomega-paisu struktuurid (mis on sedasi nimetatud nende paisuelektroodi tõttu). Võrdluseks, Joonisel 1 nähtavat MOSFETi võib nimetada ühepaisuliseks transistoriks.
Tõestatud tee eduni
Alates sellest hetkest, mil mitmepaisulisi transistoreid 1990 aastate alguses esmakordselt tutvustati, on neid peetud eksootilisteks seadmeteks, mis on akadeemilist uurimist väärt, kuid millede masstootmine on veel kauges tulevikus. 2011. aasta maikuus teatas pooljuhtide gigant Intel oma otsusest hakata oma toodetes kasutama kolmepaisulisi FETe 22-nm tehnoloogias. See on selge märk sellest, et planaarse MOSFETi skaleerimine on jõudmas oma piirideni ja lühikese kanali mõjusid pole enam tavapärast transistori ehitusviisi kasutades vältida võimalik. Selle aasta maikuus demonstreeris ettevõte Ivy Bridge nimelist mikroprotsessorit, millest saab esimene kõrgmahuga kiip, mis sisaldadab kolmepaisulisi transistoreid. Sellise mikroprotsessori tootmisprotsess, mis põhineb 22-nm kolmemõõtmelisel transistori tehnoloogial, on 2011. aasta lõpuks tootmisvalmiduses. Inteli väitel võimaldab kolmepaisuline ehitusviis jätkuvalt vähendada pooljuhtelektroonika mõõtmeid olles vastavuses Moore’i seadusega ning kindlustab tehnoloogia sellise arenemistempo, millega tarbijad harjunud on, mitmeteks aastateks. Teised suured pooljuhte tootvad gigandid on samamoodi tegemas pingutusi mitmepaisulise tehnoloogia kasutuselevõtuks enda järgmise põlvkonna seadmetes. 2010. aasta detsembris teatas Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) 30nm FinFETidel põhinevast protsessist, mis saavutab töövoolu kuni 1,400μA μm-1 ja väljalülitatud olekus voolu 1,6nA μm-1 1V toitepinge juures. Mitmepaisuliste transistorite kompaktsus võimaldab realiseerida eriti väikseid skeemielemente. Näiteks on juhupöördlusega (SRAM) rakud kõige tähtsamad ehituselemendid igas loogikaskeemis. Enamik füüsilisest ruumist moodsas mikroprotsessoris on hõivatud hoopiski mälu, mitte aritmeetika/loogikaüksuste poolt. Seepärast on eriti oluline vähendada mäluelementide mõõtmeid võimalikult palju, et saavutada väiksem kiibi pindala. Mitmepaisuliste SRAM rakkude suurepäraseid omadusi näidati 2004. aastal, mil teadlased demonstreerisid nende kõrget jõudlust kombineerituna madala aktiivse ja standby energiatarbega. Väikseimad teadaolevad SRAM rakud loodi kasutades mitmepaisulisi transistoreid ja on pindaladega 0,063μm2 (2010) ja 0,021 μm2 (2011). Nende pindaladel oli vastavalt 1,6 miljardit ja 4,8 miljardit SRAM rakku, mahtudes mõõtmetelt ära ühele ruutsentimeetrile. Aastal 2010 demostreeris TSMC selliseid SRAM rakke, mis olid valmistatud kasutades 20-nm FinFETe ja töötasid juba alates 450mV toitepingetelt.
Väljavaated tulevikuks
Arvutikiibi tööstuses on tegemist olnud arengutee üht etappi tähistava aastaga. Intel on saanud esimeseks suureks pooljuht-ettevõtteks, kes on rakendamas mitmepaisulisi transistoreid kaubanduslikes toodetes. Väikseim teadaolev ränitransistor on mitmepaisuline MOSFET ja ab initio simulatsioonid näitavad, et mitmepaisulisi ehitusviise kasutades võimaldab see Moore’i seaduse jätkumist kuni 3-nm node’ni. On tõenäoline, et sinnani jõudmine võtab tööstusel veel 20 aastat aega.
Kombineerides nanojuhtmetest valmistatid transistoreid funktsionaalsete radikaalide ja teiste nanostruktuuridega, toimub sujuv üleminek mikroelektroonika maailmast nanoelektroonikasse. Selline üleminek seab siiski kavandamisele ja tootmisele mõned väljakutsed, sest hakkavad tekkima kvant-confinement mõjud, kui nanojuhtme diameeter on alla 5 nm. Mitmepaisulistes transistorites avalduvad need mõjud mittelineaarsustena neelu voolu sõltuvusel paisupingest ja on väga sõltuvad nanojuhtme ristlõike mõõtmetest, nõudes kontrolli seadme tootmise üle aatomtasemel.
Mikroelektroonika on muutnud ühiskonda viisil, mida keegi ei osanud ette nähagi, kui Gordon Moore avaldas oma visionäärse artikkli aastal 1965. Kuigi on võimatu ette ennustada, mis tüüpi elektroonilisi vidinaid me endaga 20 aasta pärast kaasas kanname, võime kindlad olla, et transistorid neis saavad olema pisikesed mitmepaisulised nanojuhtmetega seadmed.
Autor: Garry Puusepp
Leave a Reply