Введение
Гордон Мур, в своем интервью 19 апреля 1965 года, за шестилетний опыт разработок интегральных микросхем, предположил, что если и дальше число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 18-24 месяцев, то темпы роста могут принять экспоненциальный характер. Это закономерность получила название – Закон Мура. Закон Мура охватывает все вычислительные устройства, начиная еще со старых механических калькуляторов. Если он будет действовать еще несколько десятков лет, то будут созданы компьютеры, эквивалентные по вычислительной мощности человеческому мозгу. Закон Мура сам по себе - это всего лишь экстраполяция, но этот вывод можно подкрепить, проанализировав физические ограничения и ознакомившись с исследованиями, ведущимися сегодня в лабораториях. Компьютеры с массовым параллелизмом - это еще один способ достичь вычислительной мощности уровня человеческого мозга даже без новых быстрых процессоров.
Вот уже более 45 лет производители микросхем строго следуют правилу Мура и постоянно уменьшают размеры транзисторов, увеличивая их число в каждом процессоре.
Однако на отметке в 65 нанометров разработчики столкнулись с непреодолимой трудностью - кремний, из которого создаются отдельные элементы микросхемы, в более мелких масштабах теряет ряд своих функций и работоспособности. Один нанометр, это около 5 атомарных слоев, то есть слой диэлектрика составляет 5 атомов.
Теперь специалисты по транзисторным и нано технологиям нашли замену кремнию - так называемые high-k диэлектрики в связке с металлическими затворами в транзисторах.
Принципы функционирования транзисторов
Транзистор - это устройство, выполняющее функции электронного ключа. Транзистор может находиться в одном из двух состояний: включено (транзистор открыт) или выключено (транзистор закрыт). Его можно сделать микроскопически малым и таким образом создавать интегральные микросхемы, насчитывающие сотни миллионов таких транзисторов. Транзистор представляет собой практически без инерционный переключатель, который способен работать на частотах, измеряемых тера герцами, то есть он может включать и выключать цепь триллионы раз в секунду.
Основой транзисторов является кремний (Si). Чистый кремний – полупроводник, то есть вещество, по проводимости превосходящее диэлектрики, но уступающее металлам. Кремний в чистом виде (именуемый собственным полупроводником) плохо проводит электрический ток, но проводимость кремния увеличивается по мере роста температуры. В отличие от металлов, где носителями заряда являются свободные электроны, в чистых полупроводниках эту роль играют электроны и дырки. Дырка – это вакантное место для электрона, которое образуется в результате того, что один из валентных электронов разрывает связь со своим атомом и переходит в зону проводимости (то есть становится свободным). Образующийся в результате этого положительный ион представляет собой вакантное место для электрона (место, которое может быть заполнено электроном) и называется дыркой. Дырки и электроны обладают подвижностью и способны проводить электрический ток, причем в чистых полупроводниках концентрация дырок и электронов всегда совпадает друг с другом, а направление движения дырок всегда противоположно движению электронов. Процесс образования дырки и электрона происходит под воздействием тепловой энергии: когда тепловая энергия электрона сравнивается с энергией перехода (с шириной запрещенной зоны), происходит образование одной пары носителей. Очевидно, что с ростом температуры количество дырок и электронов увеличивается и проводимость полупроводника возрастает.
Проводимость полупроводника может быть радикально изменена при помощи примесей. Примесью называется вещество, валентность которого отлична от валентности основного полупроводника. Атомы примеси замещают в кристаллической решетке атомы основного полупроводника (в нашем случае кремния), в результате чего образуются свободные дырки или электроны. Существует два типа примеси: донорная и акцепторная. Донорная примесь приводит к образованию полупроводников n-типа c электронным типом проводимости, а акцепторная примесь – к образованию полупроводников p-типа с дырочным типом проводимости.
…
