Основные понятия и определения

В данном разделе мы обсудим проблемы построения интеллектуальных макросистем твердотельной микрои наноэлектроники. Как область знаний твердотельная наносхемотехника изучает схемы и методы построения макросхем (СБИС) для компьютеров и схем управления будущего.

Современная схемотехника — транзисторная. Ее минимальные объекты (компоненты) — транзисторы, из которых осуществляется синтез макросхем.

Рис. 3.2. Биполярный транзистор: а) интегральная структура в эпитаксиально-планарной технологии, б) модель структуры (а) в переходной схемотехнике, в) обобщенная модель биполярного транзистора С физической точки зрения, структура транзистора достаточно сложна, она является схемой (с точки зрения математики) и описывается с помощью компонентов другой схемотехники — переходной (рис. 3.2, б, в_у 3.3, бу в) у компонентами которой являются материалы и переходы (физические, энергетические) между ними.

На рисунке 3.2, а представлен один из вариантов физической реализации биполярного транзистора л-р-л-типа в кремнии. Он состоит не только из рабочих областей:

• • эмиттера;
• • базы;
• • коллектора;

которые составляют суть самого биполярного транзистора (рис. 3.2, в) как переключательного (имеющего два состояния: «открыт», «закрыт») элемента, но и из дополнительных вспомогательных частей (рис. 3.2, а, б):

• • р-подложки, содержащей сам транзистор;
• • изолирующих транзистор р⁺-областей;
• • области подколлекторного контакта л⁺-типа;
• • низкоомной подтранзисторной л^ч-области, уменьшающей сопротивление тела коллектора для снижения напряжения логического нуля, что приводит к увеличению помехоустойчивости транзисторных схем;
• • толстого поверхностного диэлектрика для изоляции структуры транзистора от токоведущих дорожек и влияния внешних полей.

Таким образом, из восьми материальных областей с различными физическими свойствами, реализующих планарный биполярный транзистор, рабочих областей только три.

Если говорить об эффективности реализации биполярного транзисторного эффекта в транзисторной схемотехнике, то она равна (3/8) • 100% = 37,5%, то есть 62,5% от реализации является необходимым балластом, увеличивающим мощность потребления и ухудшающим быстродействие переключения транзистора.

У л-канального МОП-транзистора, лидера современной твердотельной электроники и схемотехники (рис. 3.3), рабочих областей четыре — на одну больше, чем у биполярного транзистора:

• • р~-подложка, в которой формируется проводящий канал;
• • исток (л*);
• • сток (л^);
• • тонкий слой диэлектрика (Д), формирующий область затвора и обеспечивающий барьерную функцию переключательного компонента.

В принципе МОП-транзистор может и не содержать больше никаких вспомогательных областей, то есть эффективность его реализации может быть равна 100%.

Рис. 3.3. МОП-транзистор: а) интегральная структура в ЭПТ, б) модель структуры (а) в переходной схемотехнике, в) обобщенная модель МОП-транзистора.

Однако для улучшения его технических параметров используют вспомогательные области (рис. 3.3, а), снижающие коэффициент реализации МОП-транзистора до (4/8) 100% = 50%. Хотя этот параметр выше, чем у биполярного транзистора, но, как и у биполярного транзистора, на реализацию переключательной функции использовано 8-мь областей.

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:

• 1) структуры обоих типов транзисторов (биполярного и МОП), используемые при создании твердотельных макросхем (процессоров и схем памяти), являются избыточными, то есть нуждаются в оптимизации на уровне построения макросхем;
• 2) компоненты транзисторной схемотехники, очевидно, являются схемами другой более подробной схемотехники, что вызывает необходимость изменения компонентной концепции построения интеллектуальных схем (схем логики и памяти) вычислительных и управляющих систем новых поколений.