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[2011.08.20] 晶体管:堵住泄漏

2011-8-25 18:02| 发布者: Somers| 查看: 10769| 评论: 8|原作者: mylta

摘要: 受到物理限制,电子工程师必须构想出更加精巧的晶体管
晶体管

堵住泄漏


受到物理限制,电子工程师必须构想出更加精巧的晶体管

077 Science and technology - Transistors.mp3
Aug 20th 2011 | from the print edition

20110820_STP003_0.jpg

1965年,戈登•摩尔预言,在一定大小的芯片上所能容纳的晶体管的数量每两年就会增加一倍,这就是所谓的摩尔定律。多年来这个定律一直在发挥作用。第一个集成电路(由德州仪器的杰克•基尔比发明,见图)还只是一个笨拙不堪的大家伙,而现在晶体管已需用纳米(1米的十亿分之一)来计量。人们以摩尔定律的发展速度创造了快速而智能化的计算机,图案漂亮并将世界联接在了一起。从摩尔博士创立这个定律的时候起,人类就进入了一个不可思议的信息技术时代。本来一个不经意的发现竟有如此强大的生命力。

其实它并不是一条真正的定律,而只是一种现象,一种对技术发展漫漫征程的描述,发展的每一步都包含着具体的技术变革(见图表)。技术发展势不可挡,已成预言般的信条。晶体管的每一次“缩身”,都是朝着它们的最小尺寸迈进了一步。如果按此定律继续发展, 20年之内,晶体管将会与几个单晶硅原子大小相当。

说得更精确一点,晶体管已经很小很小,在这样大小的空间中每个原子都变得举足轻重。原子太少它们之间的绝缘性消失,或者因 “量子隧道效应”(一种电子自然消失、并在他处重现的现象)将电流泄漏到本不该流向的地方。不适当的原子种类太多效果同样不妙,这会影响晶体管的导电性。因此工程人员正在努力重新设计晶体管。这样看来,摩尔的预言在未来的一段时间里还将继续有效。

原子核母板

晶体管实际上是一个电子控制的转换器,它由4部分组成:源极(电流从该极流入),漏极(电流从这里流出),(连接源极和漏极的)通道以及栅极(通过电压的变化控制通道的开关)。在传统的晶体管中,这些元件都被安装在同一电路板上。要防止漏电,一种思路就是把晶体管改为三维设计。

在母芯片上制造晶体管可以使许多成分原子能更加有效地布置,特别是那些构成了通道和栅极的原子。将通道外伸、三面围以栅极原子,这样就能够增加栅极的表面积,更好地控制通道,并减少泄漏。在通电状态下,晶体管栅极的功能越是优良,通过的电流就越大。

五月份,美国著名的芯片巨头英特尔(摩尔博士也是该公司创建人之一)宣布一项计划,对这种营销时冠以“三栅极”的技术设备进行商业性开发。公司预计,新晶体管将于今年晚些时候面世,这种晶体管比现有的晶体管省电一半,特别适合于笔记本电脑使用,毕竟,电池寿命是笔记本电脑的一大卖点。

全部向三维方向发展,这在一个成熟的行业内很难推广,这个行业已经形成了两种认识。包括美国公司Globalfoundries、英国公司ARM在内的绝缘硅联合会,试图把提高平板晶体管作为他们的一个替代项目,该联合会的技术是把他们的晶体管安放在纯硅片内部,然后再把它们置于绝缘子的顶部,绝缘子的下面是标准晶片,标准晶片成为晶体管构造的基质。这种方法要把晶体管的通道做得足够薄,使栅极产生的电磁场能够透过所有的障碍,提高栅极所能发挥的最大控制力。但这种方法迫使绝缘硅联合会必须面对晶体管尺寸不断缩小而产生的第二个问题:偏离正常位置的原子要么太多,要么太少。

为了改善电子性能,制造晶体管所用的硅材料中常需掺入其他元素 。最新的晶体管设计尺寸非常小,在其通道中掺入杂质中只是很小的一部分,如果这个量掌握得不好,晶体管的正常运行就会受到影响。但制造过程中的偏差使得这种要求很难达到。绝缘硅联合会希望使用的超薄通道掺入杂质的工艺极其困难,因此,他们决定不向硅中掺入杂质,而用纯净硅来制造晶体管的通道。但这要求硅层厚度不能超过5纳米.而且在整个晶片上这个厚度几乎要保持一致,英特尔公司(应当承认,它并不是一个心平气和的旁观者)认为,如此精准的标准,肯定会增加晶体管的制造成本.

SuVolta是硅谷的一家小公司,他们提出了另一种方法。他们计划制造的平板晶体管通道也不掺入杂质。但这家公司打算使用价格低廉的传统硅晶片,而不必改变晶片的成分,不必制造绝缘硅联合会要求的超薄通道,他们的过人之处在于,在通道的下面增加一个栅极。两个栅极共同作用就能够控制没有添加杂质并且厚度不够小的通道。一个功能良好的晶体管就这样再次诞生。它不仅能够减少电量消耗,公司表示,这种晶体管的电量消耗仅是传统晶体管的一半,而且功能与之相当。SuVolta此举激起了日本电子巨头富士通的极大兴趣,目前他们已拥有这项技术的生产许可。

还有多少发展空间

所有这些方法都意味着摩尔定律至少在未来几年内还会继续发挥作用。数百位专家每年都要对半导体国际技术路线图进行更新。他们预测,标准晶体管的大小到2013年将减小16纳米(现在是32纳米),到2015年还将减小到11纳米。要想进一步缩小就需要一个概念上的跃升。有幸的是,已经有了几个这样的概念跃升。

一个最有前景的方法去年已由考林吉带领的爱尔兰廷德尔国家研究所描绘出来。他们发表一篇论文,宣布他们已经创造出无连接晶体管。这一方法早在1925年就由一位名叫朱利叶斯•利林菲尔德的物理学家获得专利,但直到现在,它的制造依然是个难题。

晶体管连接处的两面是掺入了导电电子(因为电子带有负(negative)电荷,因此被称为n型物质)的硅片,而p型区域的晶格中掺入了带有正电的空穴,这些空穴由电子的游离而产生。还有一些三极管,源极和漏极都是p型,通道是n型。在其他情况下,情况正好相反。在n型和p型的结合处,硅的作用就像一个阀门,防止电流流向相反的方向。

然而,晶体管越小,制造PN结的难度就越大,这也是受到了掺入元素浓度波动的影响。考林吉博士的设计——类似英特尔的三栅极,在一个单独的、超薄的硅导线周围环绕一个三维栅极——为避免这种情况,整个晶体管全部采用一种比常规平板晶体管所用的半导体掺入元素浓度更大的半导体来制造。设计中含有一个极薄的通道,就像阀门一样,断路时载流子(比如,自由电子或空穴)全部消失,通路时充满这种载流子。它的尺寸同样应该可以缩小。廷德尔研究院的研究人员去年报告说,通过对这种原子排列的无连接晶体管进行计算机模拟显示他们的运行状况完好,而且它的栅极长度只有3.1纳米。

这种栅极长度会使摩尔定律在未来几年将继续发挥作用,此后,摩尔定律要想继续发挥作用,就要求有更多的创新思维。比如,大量的学术人员和工程人员正在思考,如何制造出这样一种晶体管,使得量子隧道成为一种特色,而不是一种缺陷。根据量子理论,电子只有在某个能量级才能获得,这就意味着利用隧道效应的晶体管可能直接从低电流转至高电流,并且不要预热时间。

这也许是一个不错的想法。晶体管的大小受到单原子大小的局限,在这种情况下,还不知这是否就是工程人员最后一个即兴之举。当摩尔博士宣布这一定律时,他本以为它的寿命也就是几十年。人类的创造力具有不可抗拒的力量,但这种力量现在正面临着原子物理学难以逾越的障碍。这真是一场引人入胜的竞赛。

 
感谢译者 mylta 点击此处阅读双语版

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最新评论

引用 contrary 2011-8-25 12:45
1.Building a transistor that sticks out of its parental chip lets many of its component atoms be deployed more usefully
在母芯片上制造晶体管可以使许多成分原子能更加有效地布置
be deployed 是被动
在母芯片上制造晶体管可以使许多组成原子的布置更加有效

2.A universal change to three dimensions
全部向三维方向发展
全面改用三维模式

3.The latest devices, though, are so small that doping their channels involves placing just a handful of dopant atoms among the silicon.
最新的晶体管设计尺寸非常小,在其通道中掺入杂质中只是很小的一部分,
最新的晶体管尺寸非常小,在其通道中掺杂只要在硅中注入少量杂质原子,

4. conceptual leap 概念上的跃升
概念上的飞跃/突破

5.a junctionless transistor 无连接晶体管
junction 是电子学专业词汇,结 PN junction 是PN结的意思
无结晶体管

6. n-type material n型物质
专业名词 n型材料

7.energy level 能量级
专业名词 能级

8.from a low current (off) to a high current (on) 低电流转至高电流
电流不称高低,只称大小或强弱
从弱电流转至强电流
引用 contrary 2011-8-25 18:24
"知识面非常宽广"简直无从谈起,鄙人不过正好是读电子专业的,故才懂得这点皮毛...
引用 baikeboy 2011-9-10 21:30
A universal change to three dimensions, though, will be difficult to sell to an industry that has grown up thinking in two.
全面改用三维模式,这在一个成熟的行业内很难推广,这个行业已经形成了两种认识。
in two 窃以为是相对三维模式的平面模式,而不是两种认识。后文也没指出哪两种认识啊
引用 spiderego 2011-9-18 14:48
chart在哪啊?应该贴上来。。。。
引用 spiderego 2011-9-19 13:14
That new steps will happen is as much an article of faith as a prediction.
这一句怎么理解。。。。。
引用 johnnybegood 2011-9-20 16:42
本帖最后由 johnnybegood 于 2011-9-20 16:49 编辑

你翻译的非常认真了,可以看出来你查了很多资料,辛苦了哦!不过如果不是专业人员的话,有的说法确实很难查到。我提供一些建议:

Too many atoms of the wrong sort,
不适当的原子种类太多
不适当种类的原子太多

these components lie in about the same plane
这些元件都被安装在同一电路板上
这些组件都分布在同一个平面上
(plane是一个几何概念,并非实体事物)

Building a transistor that sticks out of its parental chip lets many of its component atoms be deployed more usefully
在母芯片上制造晶体管可以使许多组成原子的布置更加有效
制造一个从母体芯片上伸出来的晶体管可以使许多组成原子的布置更加有效

when the transistor is on
在通电状态下
导通状态下(中文一般是这么说的,比较专业的说法叫“开态”,但一般人可能反而不理解。另外,通电易理解成从外部施加上电压的意思,而此处指的是元件本身呈导通状态。)

an industry that has grown up thinking in two
这个行业已经形成了两种认识
这个行业向来已经习惯了以二维方式去思考

As an alternative
作为他们的一个替代项目
作为一种替代途径/方案

The consortium’s technology builds its transistors inside a sliver of pure silicon, laid on top of an insulator, which in turn sits on top of a standard wafer, the substrate on which transistors are constructed.
该联合会的技术是把他们的晶体管安放在纯硅片内部,然后再把它们置于绝缘子的顶部,绝缘子的下面是标准晶片,标准晶片成为晶体管构造的基质。
该联合会的技术是把在一个纯硅片薄层内部制作晶体管,这层纯硅下面是一个绝缘层,再下面是一个标准晶片,这个标准晶片被用作基底,用来安放晶体管。

The idea is to make the channel as thin as possible, allowing the electric field generated by the gate to penetrate the entire thing, thus improving the control that the gate is able to exert.
这种方法要把晶体管的通道做得足够薄,使栅极产生的电磁场能够透过所有的障碍,提高栅极所能发挥的最大控制力。
这种方法要把晶体管的沟道做得足够薄,使栅极产生的电磁场能够透过整个沟道,提高栅极所能发挥的最大控制力。
(channel一般翻译作沟道,还有几处。)

Once again, the result is better-behaved transistors and reduced power consumption—as little as half that demanded by old-style transistors, says the firm, with no loss of performance.
一个功能良好的晶体管就这样再次诞生。它不仅能够减少电量消耗,公司表示,这种晶体管的电量消耗仅是传统晶体管的一半,而且功能与之相当。
就这样,功能更好而能耗更低的晶体管就产生了,该公司表示,它的能耗减少到只有传统类型的晶体管能耗的一半,而性能上并没有损失。

predicts that standard transistors will be 16 nanometres across by 2013
标准晶体管的大小到2013年将减小16纳米
标准晶体管的横向尺寸到2013年将减小16纳米

quantum tunnelling
量子隧道
量子隧穿

Dr Moore thought his law might endure for ten years
他本以为它的寿命也就是几十年
他本以为定律可能会在10年内有效。

The irresistible force of human ingenuity has ensured it has done far better than that人类的创造力具有不可抗拒的力量
具有不可抗拒力量的人类创造力确保摩尔定律的寿命比预想的大大延长了
引用 johnnybegood 2011-9-20 16:47
spiderego 发表于 2011-9-19 13:14
That new steps will happen is as much an article of faith as a prediction.
这一句怎么理解。。。。。 ...

新的技术革新将会一步一步地不断出现,这是预言,而且更是一种信仰。
引用 mylta 2011-9-22 06:50
回复 johnnybegood 的帖子

感谢指导!
很专业。

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