Novinka ve vývoji tranzistorů připravuje cestu výkonnějším počítačům
Výzkumníci z Massachussetského technologického institutu (MIT) přišli s dalším pozoruhodným projektem: na prosincovém zasedání Mezinárodní elektronické asociace IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) představili rekordní tranzistor tzv. p-typu. Nový design přinesl největší pohyblivost nosičů elektrického náboje (carrier mobility), jaká byla dosud naměřena.
Novinka je podle standardních norem více než dvakrát rychlejší než předchozí experimentální tranzistor p-typu a prakticky čtyřnásobně parametrově lepší než nejvýkonnější komerční tranzistory. Podobně jako u ostatních vysokovýkonných tranzistorů nejsou rychlostní hodnoty nového rekordního polovodiče založeny na běžných materiálech, tzn., že využívají jiný typ než křemík – v tomto případě jde o germanium. Slitiny germania jsou už v komerčně dostupných čipech využívány, takže integrace germaniových tranzistorů do již používaných výrobních procesů by neměla být problém, než v případě tranzistorů vyráběných z více různých speciálních exotičtějších materiálů.
Zlepšení lze dosáhnout všude
Tranzistor je v podstatě vypínač. V jedné poloze, umožňuje nabitým částicím proudit skrz něj, v jiné poloze nikoli. Prakticky všechny typy počítačů používají dva druhy tranzistorů: jeden pozitivní (p-typ) a druhý negativní (n-typ), a zlepšení výkonu čipu vyžaduje souběžné zlepšení u obou typů. V n-typu tranzistoru jsou nosičem náboje elektrony, a jejich tok vytváří elektrický proud. U p-typu tranzistoru jsou naopak nosičem náboje kladně nabité "díry", protože polovodič p-typu nemá dostatek elektronů, aby vyrovnal pozitivní náboj svých atomů, elektrony přeskakují mezi atomy tam a zpět ve snaze udržet elektrickou vyváženost. "Carrier mobility" měří, jak rychle se nosiče náboje - ať už pozitivního nebo negativního - pohybují v přítomnosti elektrického pole. Zvýšení mobility lze využít buď pro vyšší rychlosti spínání při fixním napětí, nebo nižší napětí pro stejnou spínací rychlost. Po desetiletí se logika každého prvku v počítačovém čipu skládala z komplexu tranzistorů n-typu a p-typu, jejichž vhodné uspořádání umožňuje výrazně snížit spotřebu energie. Obecně platí, že je snazší zlepšit pohyblivost nosičů v tranzistorech n-typu, ale nový projekt výzkumníků MIT ukazuje, že také tranzistory p-typu by měly být schopny držet krok.
Jak překonat úskalí miniaturizace
Nový tranzistor obsahuje rovněž tzv. trigate design, moderní koncepci, která pomáhá řešit některé dosavadní problémy spojené s výrobou počítačových obvodů extrémně malých rozměrů v nejpokročilejších čipech. Z těchto důvodů si výzkumníci od novinky slibují další posun ve vývoji v mikroprocesorovém průmyslu, kde by mohla dát nový prostor neustále se zvyšujícímu výkonu výpočetní síly moderních počítačů (známým jako tzv. Mooreův zákon), který uživatelé očekávají, a nadále jej udržet.
Trigate design je dalším z klíčových aspektů nového tranzistoru: Pokud má tranzistor fungovat jako vypínač, je důležité řešení jeho hradla (gate). U konvenčního tranzistoru je hradlo osazeno jen na horní části "kanálu“, kterým proudí nosiče náboje. Jak se tranzistory miniaturizovaly, smršťovala se rovněž jejich hradla. Ale v menších velikostech nebude už tento typ synchronizované miniaturizace fungovat: brány se stanou příliš malé, než aby dokázaly tranzistor spolehlivě vypínat.
V konstrukci trigate vystupují kanály nad povrch čipu. Ke zvětšení povrchové plochy kanálu, je hradlo situováno kolem jeho tří vystavených vnějších stran – odtud je odvozeno i označení trigate. Tím lze dosáhnout v trigate tranzistorech vysoké mobility děr. Výzkumníci dosáhli rekordní mobility děr začleněním germania do tranzistoru tím, že stlačili jeho atomy blíže k sobě, než jak jsou obvykle běžně uspořádány. K dosažení toho vypěstovali germanium na povrchu několika různých vrstev křemíku a křemíko-germaniového kompozitu. Atomy germania se přirozeně snaží seřadit k atomům vrstvy pod nimi, což je stlačuje blíže k sobě a umožňuje využít tyto materiály doslova až na samou jejich hranici.
627
