Skoraj vsi računalniški čipi uporabljajo dve vrsti tranzistorjev: prvi je P-tip in drugi N-tip. Izboljšanje delovanja čipa kot celote zahteva sočasno izboljšavo na obeh vrstah. Na mednarodnem srečanju v Electron Devices (IEEE IEDM) v decembru, so raziskovalci iz MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL) predstavili tranzistor p-tipa z največjo mobilnostjo nosilcev, ki je bila doslej izmerjena. Po tem standardu je takšen tranzistor dvakrat hitrejši kot katerikoli eksperimentalni tranzistor P-tipa doslej in skoraj štirikrat hitrejši kot najboljši tranzistor P-tipa, ki ga lahko dobimo na tržišču.
Podobno kot pri drugih eksperimentalnih visoko zmogljivih tranzistorjih, je hitrost novega tranzistorja odvisna od uporabljenega materiala, ki ni silicij: v našem primeru gre za germanij. Zlitine germanija se že uporabljajo za izdelavo čipov, tako da bi se germanijevi tranzistorji lažje vključili v obstoječe proizvodne procese čipov od tranzistorjev, ki bi bili izdelanih iz bolj eksotičnih materialov.
Slika: Na tem mikroskopskem posnetku, ki prikazuje eksperimentalni tranzistor, so modro označena območja, ki prikazujejo “stisnjenost”, kjer so se bili germanijevi atomi prisiljeni drug drugemu približati bolj, kot bi se sicer. Eden od razlogov za uspeh pri izdelavi takšnega tranzistorja je, da je pritisk v prečni smeri sproščen. Winston Chern, Pouya Hashemi and James Teherani.Novi tranzistor ima zasnovo, ki se imenuje trigate in ki bi lahko rešila nekatere težave, ki jih imajo z računalniškimi vezji izredno majhnih dimenzij (in ki jo je Intel že predstavil v svojih najbolj naprednih linijah integriranih vezij). Zaradi vseh teh razlogov nova komponenta industriji mikrovezij ponuja privlačno pot naprej, ki bi lahko pomagala ohranjati hitro naraščanje zmogljivosti računalnikov (znano kot Moorov zakon), ki jo potrošniki od nje pričakujejo.
Prednosti in slabosti
Tranzistor je v osnovi stikalo: v enem položaju dovoli nabitim delcem, da tečejo skozenj, v drugem položaju pa ne. V N-tipu tranzistorja so ti delci (ali nosilci naboja) elektroni in njihovo gibanje povzroča običajen električni tok.
V tranzistorju P-tipa pa so nosilci naboja vrzeli, ki imajo pozitivni naboj. P-tip polprevodnika nima dovolj elektronov, s katerimi bi izravnal pozitiven naboj svojih atomov; ker elektroni skačejo naprej in nazaj med atomi in ji poskušajo zaman električno uravnotežiti, se vrzeli pomikajo v polprevodniku, podobno, kot se širijo valovi med vodnimi molekul, ki se lokalno premikajo naprej in nazaj na zelo majhnih razdaljah.
„ Mobilnost nosilca „ meri, kako hitro se nabiti nosilci toka – pozitivni ali negativni – premikajo v prisotnosti električnega polja. Večja mobilnost lahko pomeni bodisi višje hitrosti preklapljanja tranzistorjev, pri neki stalni napetosti ali isto hitrost preklapljanja pri nižji napetosti.
Že desetletja je vsak logični element v računalniškem čipu sestavljen iz komplementarnega para N-tipa in P-tipa tranzistorjev, ki sta povezana v takšno vezavo, da čipu drastično zmanjšata porabo energije. Na splošno velja, da je lažje izboljšati mobilnost nosilcev toka v N-tipu tranzistorjev; nova komponeta MTL raziskovalcev pa kaže, da tranzistorji P-tipa za njimi kmalu ne bodo več zaostajali.
Uravnavanje pritiska
Judy Hoyt, profesorica za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, njen podiplomski študent Winston Chern, vodilni avtor te novosti, James T. Teherani, Pouya Hašemi, ki je bil takrat na MIT podoktor in je zdaj pri IBM-u, Dimitri Antoniadis , Ray in Maria Stata, profesorja za elektrotehniko in sodelavci na MIT in University of British Columbia so dosegli zapisano nastavitev mobilnosti vrzeli s „stiskanjem“ germanija v svojem tranzistorju – prisilijo atome, da so bližje skupaj, kot bi se običajno razvrstili v polprevodniku . Da so to dosegli, so izvajali rast germanija na vrhu več različnih plasti silicija in kompozita silicija in germanija. Germanijevi atomi se poskušajo povezati z atomi v plasti pod njimi, kar jih stisne skupaj.
„Naredili smo neke vrste edinstven niz struktur materialov in to je dejansko potekalo tu, v MTL,“ pravi profesor Hoytova. „To je tisto, kar nam je omogočilo, da smo lahko raziskali meje teh materialov. V takšni obliki jih ne morete kupiti nikjer. „
„Te močno stisnjene plasti želijo narazen,“ dodaja Teherani. „Imamo velik uspeh z rastjo teh stisnjenih plasti in tudi s tem, da ostanejo stisnjene in brez napak.“ Pravzaprav je ena izmed pionirjev stisnjenih silicijevih tranzistorjev, tehnologije, ki jo danes najdemo v skoraj vseh računalniških čipih na tržišču. Na IEDM lanskoletnem sta profesor Hoytova in Eugene Fitzgerald, Flemings-SMA profesor znanosti o materialih in inženirstvu na MIT, prejela IEEE Andrew S. Grove nagrado za izjemen prispevek na področju polprevodniških elementov in tehnologije. V besedilu ob nagradi je bilo delo profesor Hoytove omenjeno kot „pionirski prispevki, ki vključujejo stisnjene silicijeve polprevodniške materiale.“
Ohranjanje funkcije vrat
Drugi ključni vidik novega tranzistor je njegova trigate zasnova. Če vzamemo, da je tranzistor stikalo, pomeni vklop stikala dovod nekega potenciala na vrata tranzistorja. V običajnih tranzistorjih so vrata nameščena na vrhu „kanala“, skozi katerega tečejo nosilci toka. Ker so tranzistorji vse manjši, so se zmanjšala tudi njihova vrata. Toda pri manjših velikostih ta vrsta lockstep miniaturizacije ne deluje več: vrata postanejo premajhna, da bi z njimi lahko zanesljivo izklopili tranzistor.
Pri trigate zasnovi se kanali dvigajo nad površino čipa, da so videti kot avtomobili na tovornem vlaku. Da bi čim bolj povečali površino vrat, jih dobesedno »ovijejo« okrog treh izpostavljeni strani kanala – od tod tudi izraz „Trigate“. S tem, ko so dokazali, da lahko v trigate tranzistorjih dosežejo veliko mobilnost vrzeli, so profesor Hoytova in njena ekipa pokazala tudi to, da bo njihov pristop ostal koristen v čipih prihodnosti.
„Del tranzistorja na osnovi germanija pomaga pri povečevanju delovnega toka, trigate del pa pomaga pri zmanjševanju uhajanja toka v izklopljenem stanju,“ pravi Krishna Saraswat, Rickey / Nielsen profesor inženiringa na Univerzi Stanford, ki ni bil vključen v raziskavo. „Torej nam kombinacija obeh pravzaprav ponuja idealen tranzistor naslednje generacije.“
Saraswat meni, da je polprevodniška industrija že načrtuje premik v smeri elektronskih vezij z germanijem. „Na izbiro imamo dve možnosti: da še bolj zmanjšamo silicijev tranzistor, ne da bi se karkoli izboljšalo – preprosto doseči višjo gostote polprevodnikov v ohišju – ali bi doseči višjo gostoto in zraven še boljše rezultate,“ pravi. „In precej jasno postaja, da bo industrija izbrala visoko stisnjen germanij.“
Nov tranzistor P-tipa
