{"id":26123,"date":"2012-03-18T17:55:24","date_gmt":"2012-03-18T14:55:24","guid":{"rendered":"http:\/\/www.fyysika.ee\/uudised\/?p=26123"},"modified":"2012-03-18T17:55:24","modified_gmt":"2012-03-18T14:55:24","slug":"mitmepaisulised-transistorid-klassikaliste-valjatransistorite-asendajatena","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.fyysika.ee\/?p=26123","title":{"rendered":"Mitmepaisulised transistorid klassikaliste v\u00e4ljatransistorite asendajatena"},"content":{"rendered":"

Rohkem kui nelja aastak\u00fcmne jooksul on transistorite m\u00f5\u00f5tmed eksponentsiaalselt v\u00e4henenud, mist\u00f5ttu transistorite arv integraall\u00fclitustes on eksponentstsiaalselt kasvanud. Selline transistorite mahutihedusese kasv on \u00a0saanud v\u00f5imalikuks pideva v\u00e4ljaefekt-transisorite m\u00f5\u00f5tmete v\u00e4hendamise l\u00e4bi. Praeguse p\u00f5lvkonna transistorites on m\u00f5\u00f5tmed v\u00e4hendatud tasemele, millest edasi minnes halvenevad elektrilised tunnusjooned m\u00e4rgatavalt, muutes transistorite j\u00e4tkuva eksponentsiaalse m\u00f5\u00f5tmete v\u00e4henemise ebat\u00f5en\u00e4oliseks. \u00a0Viimasel ajal on siiski kerkinud esile uus p\u00f5lvkond MOSFETe, millede parem geomeetria teeb v\u00f5imalikuks arvutite j\u00f5udluse arenemise ka j\u00e4rgmisel k\u00fcmnendil.<\/p>\n

Klassikalised v\u00e4ljatransistorid<\/h3>\n
\n
\"\"<\/a>

Joonis 1. <\/p><\/div>\n

Klassikaline metalloksiid-v\u00e4ljatransistor on t\u00e4nap\u00e4evase elektroonikat\u00f6\u00f6stuse t\u00f6\u00f6hobune. V\u00e4ljatransistorid on need aluskomponendid, milledest ehitatakse mikroprotsessoreid, m\u00e4lukiipe ja telekommunikatsiooni mikroskeeme. Moodne mikroprotsessor v\u00f5ib endas siasaldada rohkem kui 2 miljardit MOSFETi ja 32 gigabaidine m\u00e4lukaart, kaaludes seejuures vaid 0,5g, koosneda 256 miljardist transistorist, \u00a0mis on v\u00f5rreldav k\u00f5igi Linnutee galaktikas asuvate t\u00e4htede arvuga. MOSFETid leiavad peamiselt kasutust l\u00fclititena mikroprotsessorite loogikaahelates, kuigi need suudavad t\u00e4ita ka teisi eesm\u00e4rke. \u00a0\u00d5pikun\u00e4ide MOSFETist on Joonisel 1.a. MOSFET koosneb kahest n-t\u00fc\u00fcpi pooljuhi piirkonnast, mis kannavad nime l\u00e4te ja neel ning on omavahel eraldatud substraadiga – p-t\u00fc\u00fcpi pooljuhiga. Selline on n-t\u00fc\u00fcpi MOSFETI v\u00f5i NMOS seadme kirjeldus. P-t\u00fc\u00fcpi MOSFET ehk PMOS seade omab neelu, paisu ja l\u00e4tte regioonides vastupidist juhtivust. Tavaliselt kasutatakse pooljuhtide tootmisel r\u00e4ni, kuid mikroelektroonika t\u00f6\u00f6stuses kaalutakse kiiremate laengukandjate olemasolu t\u00f5ttu ka teiste pooljuhtmaterjalide kasutuselev\u00f5ttu.<\/p>\n<\/div>\n

Ideaalsel l\u00fclitil on avatud olukorras sellest l\u00e4bi minev voolutugevus null ja suletud asendis on selle takistus null, mist\u00f5ttu seda saab hetkeliselt sisse-v\u00e4lja l\u00fclitada ja vastupidi. MOSFETid on paraku aga mitteideaalsed seadmed. V\u00e4ljal\u00fclitatud olekus ei ole voolutugevus null ja vool on piiratud. Ka \u00fchest olekust teise l\u00fclitumine v\u00f5tab aega. Transistori suurust v\u00e4hendades muutuvad nende l\u00fclitamisomadused veelgi kehvemaks. \u00dcks lahendus selle vastu on loobuda tasapinnalisest ehitusviisist ja luua paisuelektrood, mis on juhtiva kanaliga mitmest k\u00fcljest \u00fchenduses, parendades nii elektrostaatilist kanali juhtimist. Sellised mitmepaisulised arhitektuurid v\u00f5imaldavad tranistorite suurust ilma nende omaduste kahjustamist v\u00e4hendada.<\/p>\n

Mitmepaisuline arhitektuur<\/h3>\n
\n
\"\"<\/a>

Joonis 2. Mitmepaisuliste transistorite erinevad t\u00fc\u00fcbid<\/p><\/div>\n

Suurel osal klassikalistel MOSFETidel asub paisuelektrood isolaatori (oksiidi) peal, mis katab kanali piirkonna l\u00e4tte ja neelu vahel. Sellises seadistuses on see seade planaarne ning kahem\u00f5\u00f5tmeline. Paisu elektrostaatilst kanali juhtimist on v\u00f5imalik t\u00e4iustada MOSFETi kuju modifitseerides v\u00f5i isolaatormaterjali muutmisel. Termin ,,mitmepaisuline\u201d pole ehkki k\u00f5ige t\u00e4psem, kuna neil seadmetel on siiski vaid \u00fcks paisuelektrood. See t\u00e4hendab vaid seda, et elektrood on kanali piirkonnas mitmest k\u00fcljest pakitud. Joonisel 2 on kujutatud erinevad n\u00e4ited mitmepaisulistest seadmetest: uime-v\u00e4ljatransistor (FinFET), kolmikpaisuga (tri-gate) MOSFETid, pais-\u00fcmber-k\u00f5ige (milles paisuelektrood katab k\u00f5iki kanali piirkondi) ja pii-paisu ning oomega-paisu struktuurid (mis on sedasi nimetatud nende paisuelektroodi t\u00f5ttu). V\u00f5rdluseks, Joonisel 1 n\u00e4htavat \u00a0MOSFETi v\u00f5ib nimetada \u00fchepaisuliseks transistoriks.<\/p>\n<\/div>\n

T\u00f5estatud tee eduni<\/h3>\n

Alates sellest hetkest, mil mitmepaisulisi transistoreid 1990 aastate alguses esmakordselt tutvustati, on neid peetud eksootilisteks seadmeteks, mis on akadeemilist uurimist v\u00e4\u00e4rt, 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 m\u00e4rk sellest, et planaarse MOSFETi skaleerimine on j\u00f5udmas oma piirideni ja l\u00fchikese kanali m\u00f5jusid pole enam tavap\u00e4rast transistori ehitusviisi kasutades v\u00e4ltida v\u00f5imalik. Selle aasta maikuus demonstreeris ettev\u00f5te Ivy Bridge nimelist mikroprotsessorit, millest saab esimene k\u00f5rgmahuga kiip, mis sisaldadab kolmepaisulisi transistoreid. Sellise mikroprotsessori tootmisprotsess, mis p\u00f5hineb 22-nm kolmem\u00f5\u00f5tmelisel transistori tehnoloogial, on 2011. aasta l\u00f5puks tootmisvalmiduses. Inteli v\u00e4itel v\u00f5imaldab kolmepaisuline ehitusviis j\u00e4tkuvalt v\u00e4hendada pooljuhtelektroonika m\u00f5\u00f5tmeid olles vastavuses Moore\u2019i seadusega ning kindlustab tehnoloogia sellise arenemistempo, millega tarbijad harjunud on, mitmeteks aastateks. Teised suured pooljuhte tootvad gigandid on samamoodi tegemas pingutusi mitmepaisulise tehnoloogia kasutuselev\u00f5tuks enda j\u00e4rgmise p\u00f5lvkonna seadmetes. 2010. aasta detsembris teatas Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) 30nm FinFETidel p\u00f5hinevast protsessist, mis saavutab t\u00f6\u00f6voolu kuni 1,400\u03bcA \u03bcm-1 ja v\u00e4ljal\u00fclitatud olekus voolu 1,6nA \u03bcm-1 1V toitepinge juures. Mitmepaisuliste transistorite kompaktsus v\u00f5imaldab realiseerida eriti v\u00e4ikseid skeemielemente. \u00a0N\u00e4iteks \u00a0on juhup\u00f6\u00f6rdlusega \u00a0(SRAM) rakud k\u00f5ige t\u00e4htsamad ehituselemendid igas loogikaskeemis. Enamik f\u00fc\u00fcsilisest ruumist moodsas mikroprotsessoris on h\u00f5ivatud hoopiski m\u00e4lu, mitte aritmeetika\/loogika\u00fcksuste poolt. Seep\u00e4rast on eriti oluline v\u00e4hendada m\u00e4luelementide m\u00f5\u00f5tmeid v\u00f5imalikult palju, et saavutada v\u00e4iksem kiibi pindala. Mitmepaisuliste SRAM rakkude suurep\u00e4raseid omadusi n\u00e4idati 2004. aastal, mil teadlased demonstreerisid nende k\u00f5rget j\u00f5udlust kombineerituna madala aktiivse ja standby energiatarbega. V\u00e4ikseimad teadaolevad SRAM rakud loodi kasutades mitmepaisulisi transistoreid ja on \u00a0pindaladega 0,063\u03bcm2 (2010) \u00a0ja 0,021 \u03bcm2 (2011). Nende pindaladel oli vastavalt 1,6 miljardit ja 4,8 miljardit SRAM rakku, mahtudes m\u00f5\u00f5tmetelt \u00e4ra \u00fchele ruutsentimeetrile. Aastal 2010 demostreeris TSMC selliseid SRAM rakke, mis olid valmistatud kasutades 20-nm FinFETe ja t\u00f6\u00f6tasid juba alates 450mV toitepingetelt.<\/p>\n

V\u00e4ljavaated tulevikuks<\/h3>\n

Arvutikiibi t\u00f6\u00f6stuses on tegemist olnud arengutee \u00fcht etappi t\u00e4histava aastaga. Intel on saanud esimeseks suureks pooljuht-ettev\u00f5tteks, kes on rakendamas mitmepaisulisi transistoreid kaubanduslikes toodetes. V\u00e4ikseim teadaolev r\u00e4nitransistor on mitmepaisuline MOSFET ja ab initio simulatsioonid n\u00e4itavad, et mitmepaisulisi ehitusviise kasutades v\u00f5imaldab see Moore\u2019i seaduse j\u00e4tkumist kuni 3-nm node\u2019ni. On t\u00f5en\u00e4oline, et sinnani j\u00f5udmine v\u00f5tab t\u00f6\u00f6stusel veel 20 aastat aega.<\/p>\n

Kombineerides nanojuhtmetest valmistatid transistoreid funktsionaalsete radikaalide ja teiste nanostruktuuridega, toimub sujuv \u00fcleminek mikroelektroonika maailmast nanoelektroonikasse. Selline \u00fcleminek seab siiski kavandamisele ja tootmisele m\u00f5ned v\u00e4ljakutsed, sest hakkavad tekkima \u00a0kvant-confinement m\u00f5jud, kui nanojuhtme diameeter on alla 5 nm. Mitmepaisulistes transistorites avalduvad need m\u00f5jud mittelineaarsustena neelu voolu s\u00f5ltuvusel paisupingest ja on v\u00e4ga s\u00f5ltuvad nanojuhtme ristl\u00f5ike m\u00f5\u00f5tmetest, n\u00f5udes kontrolli seadme tootmise \u00fcle aatomtasemel.<\/p>\n

Mikroelektroonika on muutnud \u00fchiskonda viisil, mida keegi ei osanud ette n\u00e4hagi, kui Gordon Moore avaldas oma vision\u00e4\u00e4rse artikkli aastal 1965. Kuigi on v\u00f5imatu ette ennustada, mis t\u00fc\u00fcpi elektroonilisi vidinaid me endaga 20 aasta p\u00e4rast kaasas kanname, v\u00f5ime kindlad olla, et transistorid neis saavad olema pisikesed mitmepaisulised nanojuhtmetega seadmed.<\/p>\n

Autor: Garry Puusepp<\/strong><\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Rohkem kui nelja aastak\u00fcmne jooksul on transistorite m\u00f5\u00f5tmed eksponentsiaalselt v\u00e4henenud, mist\u00f5ttu transistorite arv integraall\u00fclitustes on eksponentstsiaalselt kasvanud. Selline transistorite mahutihedusese kasv on \u00a0saanud v\u00f5imalikuks pideva v\u00e4ljaefekt-transisorite m\u00f5\u00f5tmete v\u00e4hendamise l\u00e4bi. Praeguse p\u00f5lvkonna transistorites on m\u00f5\u00f5tmed v\u00e4hendatud tasemele, millest edasi minnes halvenevad elektrilised tunnusjooned m\u00e4rgatavalt, muutes transistorite j\u00e4tkuva eksponentsiaalse m\u00f5\u00f5tmete v\u00e4henemise ebat\u00f5en\u00e4oliseks. \u00a0Viimasel ajal on siiski kerkinud […]<\/p>\n","protected":false},"author":32,"featured_media":26124,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_genesis_hide_title":false,"_genesis_hide_breadcrumbs":false,"_genesis_hide_singular_image":false,"_genesis_hide_footer_widgets":false,"_genesis_custom_body_class":"","_genesis_custom_post_class":"","_genesis_layout":"","footnotes":""},"categories":[155],"tags":[110,147,115],"class_list":{"0":"post-26123","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","5":"has-post-thumbnail","7":"category-referaadinurgake","8":"tag-materjal","9":"tag-nanotehnoloogia","10":"tag-tehnovidinad","11":"entry"},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/26123","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/32"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=26123"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/26123\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/26124"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=26123"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=26123"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=26123"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}