Isoleeritud paisuga väljatransistor

Allikas: Vikipeedia
N ja P kanaliga isoleeritud paisuga väljatransistori sümbol.

Isoleeritud paisuga väljatransistor (metall-oksiid-pooljuht väljatransistor, inglise keeles MOSFET) on üks kahest väljatransistori tüübist.

Isoleeritud paisuga väljatransistoril on paisu ja kanali vahel õhuke isolaatorkiht, milleks on enamasti olnud ränidioksiid. Tänapäeval toodetavate võimsate mikroprotsessorite puhul kasutatakse ränidioksiidi asemel muid materjale, mille omadused lubavad paremat energiasäästu ja töökiirust. Inglise keelest otse tõlgitud termin metall-oksiid-pooljuht on viimastel aastakümnetel olnud eksitav, kuna paisu materjalina on metalli asemel kasutatud polükristallilist räni. Uusimates tehnoloogiates on pais aga jällegi kas osaliselt või täielikult metalne.

Sõltuvalt kanali tekitamise viisist jagunevad MOSFET transistorid formeeritud kanaliga ja indutseeritud kanaliga MOSFET transistorideks. Need omakorda võivad olla kas p- või n-kanaliga.

Tööpõhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Metall-oksiid-pooljuht struktuur[muuda | redigeeri lähteteksti]

Lihtne MOSFETi struktuur, kus on näha pais (P), läte (L), neel (N), dielektrik (D) ning kanali ala. Transistor on ehitatud pooljuhtplaadile (K).

Traditsioonilise metall-oksiid-pooljuht struktuuri loomiseks sadestatakse räniplaadile (K) ränidioksiidi kiht (D) ning sellele sadestatakse metalli või polükristallilise räni kile (P). Kuna ränidioksiid on dielektrik, moodustab loodud struktuur kondensaatori, mille üks elektrood (Kanal) on asendatud pooljuhiga. Paisule rakendatava pinge muutmisega muutub laengute jaotus pooljuhis. Selle tagajärjel võimaldatakse või takistatakse olenevalt rakendatud pinge polaarsusest elektrivoolu liikumist kanalis lätte (L) ja neelu (N) vahel.[1]

Näide n-juhtivusega transistori põhjal[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vaatleme n-juhtivusega transistore, sest need on enam levinud. Sellisel juhul on p-juhtivusega põhimaterjali lisandite abil lätte ja neelu vahele formeeritud n-juhtivusega kanal. Kanali peal on õhukene isolatsiooni kiht ja selle peal omakorda metallist elektrood.

  • Kui anda paisule 0 pinge, siis läbib kanalit keskmise suurusega elektrivool. Paisu pinge muutmisega on võimalik mõjutada kanali juhtivuslikke omadusi.
  • Kui anda n-kanaliga transistori paisule negatiivne pinge, siis tõrjub elektriväli laengukandjad kanalist välja ja vool läbi kanali väheneb - siis on vaegus (vaesustamise) režiim.
  • Kui anda positiivne pinge, siis tõmmatakse laenguid kanalisse juurde ning vool läbi kanali suureneb - rikastusrežiim.

Tüürtunnusjoon ulatub nii positiivse kui negatiivse paisupinge piirkonda, kuna kanalit annab nii rikastada kui ka sealt laengud välja tõrjuda. Kui kasutada p-kanaliga transistore, siis tuleb arvestada pingete vastupidise polaarsusega.

Areng[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viimaste aastakümnete jooksul on isoleeritud paisuga väljatransistoride mõõtmed järjest vähenenud. Kui 1990. aastatel mõõdeti MOSFET-ide kanali laiusi mikromeetrites siis tänapäeval on kanali laiuseks mõnikümmend nanomeetrit. Intel, üks maailma juhtivaid pooljuhtkiipide tootjaid, alustas 32 nm suuruste MOSFET-ide seeriatootmist 2009. aastal. Kanali suurus on sellisel transistoril isegi väiksem kui 32 nm. Pooljuhttehnoloogia ekspertide poolt koostatud "Pooljuhtmaterjalide tehnoloogia rahvusvaheline teejuhis" (International Technology Roadmap for Semiconductors) tuuakse välja tehnoloogiad ja kompetentsid, mille arendamisse tuleks pooljuhttehnoloogia arengu tagamiseks järgmise umbes 15 aasta jooksul kõige rohkem panustada.[2]

Mõõtmete vähendamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Moore'i seaduse logaritmiline graafik. Protsessoris olevate transistorite arv kahekordistub iga kahe aastaga.

MOSFET transistoride mõõtmete vähendamine on oluline mitmel põhjusel. Esiteks on võimalik väiksemaid transistore ühte mikrokiipi paigutada rohkem ilma selle mikrokiibi mõõtmeid muutmata. Sellele viitab ka Moore'i seadus, mille järgi mikrokiibil olevate transistoride arv kahekordistub iga kahe aasta järel.[3] Mõõtmete vähendamine võimaldab toota sama suuruse kuid rohkemate võimalustega või samade võimalustega kuid väiksemaid mikrokiipe. Kuna pooljuhtplaatite ja nende peale mikrokiipide tootmise kuludest suurema osa moodustavad püsikulud, on ühe mikrokiibi maksumus seotud sellega kui palju neid ühe pooljuhtplaadi peale mahub. Seega mahub väiksematest transistoridest koosnevaid kiipe pooljuhtplaadi peale rohkem ja nende hind peaks mastaabisäästu tõttu olema odavam.[4]

Lisaks sellele on väiksemate komponentide mahtuvus väiksem, mis muudab neid kiiremaks ja/või efektiivsemaks. Üks võimalus transistori mõõtmeid vähendada on proportsionaalselt. Kui nii kanali pikkust, kanali laiust kui ka oksiidikihi paksust ühe kordaja võrra vähendada, siis kanali takistus ei muutu kuid kanali mahtuvus väheneb selle kordaja võrra. Seetõttu väheneb sarnase kordaja võrra ka transistori RC-ahela viivitus. Kui varasemalt aitas transistoride suuruse vähendamine kiiruse kasvule kaasa siis kõige uuemate tehnoloogiate juures ei pruugi sellest enam suurt kasu olla. Nimelt on viivitused transistoride omavahelistes ühendustes tihti isegi suuremad kui transistorides endis.[4]

Mõõtmete vähendamisega seotud murekohad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Järjest väiksemate nanoskaalas MOSFET-ide tootmine on arendajatele tõsine väljakutse.

Suurem lekkimine läbi isolatsioonikihi[muuda | redigeeri lähteteksti]

Transistori kanali elektrijuhtivuse parandamiseks sisselülitatud olekus ja lülituskiiruse tõstmiseks tuleks kanali ning paisu vahel asuv isolatsioonikiht teha võimalikult õhuke. Teisalt on kasutatavate paisuoksiidide paksus jõudnud tänapäevaks umbes 1,2 nanomeetrini (Ränidioksiidi puhul tähendab see ~5 aatomi paksust kihti) mistõttu võib esineda elektronide tunnelleerumist kanali ja paisu vahel, mis toob endaga kaasa lekkevoolu ja voolutarbe suurenemise.

Paisuoksiidina on traditsiooniliselt kasutatud ränidioksiidi, mille dielektriline läbitavus on suhteliselt madal (k = 3,9). Isolaatormaterjali dielektrilise läbitavuse suurendamine võimaldab luua paksema isolaatorkihi millel on endiselt sama suur elektriline mahtuvus. Seega on paisuoksiidi materjali parandamisega võimalik sama paksuse juures vähendada elektronide tunnelleerumist ja selle kaudu vähendada transistori voolutarvet.[5]

Lauaarvuti protsessori jahutamiseks mõeldud radiaator koos ventilaatoriga.

Soojuse eraldumine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Seoses järjest suurema lülituselementide tihedusega sama suure pindalaga mikrokiibil eraldub selle kiibi töötamisel rohkem soojust. Kõrgematel temperatuuridel töötavad mikroskeemid aeglasemalt ning nende töökindlus ja tööiga vähenevad. Seetõttu tuleb järjest rohkem tähelepanu pöörata mikroprotsessorite jahutamisele. Jahutamiseks kasutatakse radiaatoreid, vesijahutust või isegi vedelat lämmastikku.

Tootmisprotsessi vead[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mida väiksemaks muutuvad MOSFET-id seda vähem räni või mõne muu kasutatava aine aatomeid esineb transistoris mingi rolli täitmiseks. Seega võivad suvalised tootmisprotsessi ebatäpsused järjest olulisemalt mõjutada transistori mõõtmeid või omadusi. Transistoride parameetrid ja karakteristikud ei ole võimalik enam täpselt mõõta ning need muutuvad statistilisteks.

Ehitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Paisuelektroodi materjal[muuda | redigeeri lähteteksti]

Paisuelektroodi materjali oluliseim omadus on hea elektrijuhtivus. Kuni 1970. aastate keskpaigani kasutati paisuelektroodina alumiiniumit. Viimased paarkümmend aastat on paisu materjalina kasutatud legeeritud polükristallilist räni. Kuigi räni puhul ei ole tegemist metalliga on polüränil mitmeid häid omadusi mis teevad temast piisavalt hea paisumaterjali:

  • Lävipinge on muudetav olenevalt paisu ja kanali materjalide tööfunktsioonide vahest. Kuna polüräni on pooljuht on võimalik tema omadusi ja tööfunktsiooni legeerimisega muuta.
  • Räni ja ränidioksiidi kokkupuutepinna omadusi on aja jooksul palju uuritud ning on järeldatud, et sellel on suhteliselt vähe defekte. Metalli ja isolaatori puutepind on enamasti defektne, mis tähendab, et seal võivad toimuda erinevad füüsikalised nähtused, nagu näiteks laadumine, mis vähendavad transistori töökiirust ja töökindlust.
  • MOSFET mikrokiipide tootmisel sadestatakse paisu materjal paremate kiipide saamiseks enne teisi, kõrge temperatuuriga tehtavaid samme. Metallid võivad nendel temperatuuridel sulada, mistõttu on sobivate metallide valik väiksem.

Polüräni on siiani olnud üks kasutatavamaid paisumaterjale, kuid tal on puudusi, mistõttu otsitakse talle aktiivselt asendajat. Suurimad polüräni puudused on:

  • Polüräni ei ole hea elektrijuht (umbes 1000 korda suurema takistusega kui metallid) mistõttu levib signaal temas aeglasemalt. Juhtivust saab legeerimise abil parandada kuid isegi kõrglegeeritud räni ei ole nii hea juht kui metallid. Juhtivuse edasiseks parandamiseks legeeritakse polüräni ülemistesse kihtidesse volframi, titaanii, koobaltit või niklit. Legeerimine parandab polüräni elektrilisi omadusi ning vähendab sulamise riski edasiste tootmisprotsesside käigus. Lävipinge võrreldes polüräniga oluliselt ei suurene kuna legeeritud ala ei ole MOSFET-i kanali lähedal.
  • Transistoride mõõtmeid vähendades muudetakse õhemaks ka paisu dielektrikkiht, mis tänapäevastel tehnoloogiatel tähendab ~1 nm paksust dielektrikukihti. Sellisel juhul võib täheldada polüräni ammendumist (polysilicon depletion effect), kus lävipinge muutub ning transistor ei käitu enam vastavalt ettenähtud elektriskeemile. Selle ärahoidmiseks saaks kasutada paisuelektroodi materjalina selliseid metalle nagu tantaal, volfram või titaan ja nende ühendeid.

Metalli kasutamine paisuelektroodi materjalina tuli taas päevakorda koos kõrge k-väärtusega dielektrikute kasutuselevõtuga. Kuna kõrge-k dielektriku ja polükristallilise räni puutepind on kehv siis lülituvad nendest materjalidest tehtud transistorid aeglasemalt. Kasutades paisuelektroodi materjalina metalli, mis on võimeline endas hoidma oluliselt rohkem elektrone, muutus elektronide liikumine kanalis kiiremaks ja otsesemaks. Lisaks sellele on metalli ja kõrge k-väärtusega dielektriku puutepind tugevamini seotud.[5]

Dielektrikukihi materjal[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mida väiksemaks transistorid muutuvad seda õhemaks muutub ka paisu isolatsioonikiht. Selle tulemusena tuleb ette elektronide tunnelleerumist kanalist paisuelektroodile, mis on ebasoovitav nähtus. Dielektrikukiht peab vastama järgmistele nõuetele:

Kõrge dielektrilise läbitavusega paisudielektriku (high-k dielectrics) materjalidena on katsetatud erinevate ühenditega nagu HfO2, ZrO2, TiO2, Al2O3, Ta2O5, HfSiO4, ZrSiO3. Kõrge k-väärtusega dielektikkihi kasutuselevõtt aitab oluliselt vähendada elektronide tunnelleerumist kanalist paisuelektroodile ning seeläbi vähendada transistori voolutarvet. Lisaks sellele õnnestus uute materjalide tootmiseks kasutusele võetud aatomkihtsadestusmeetodi abil vähendada defektide arvu dielektriku piirpinnal, mille tõttu vähenes laengukandjate lõksustumine. Alates 2007. aastast ja 45 nm tehnoloogiast kasutatakse Inteli protsessorite tootmisel metallist paisuelektroodi ning kõrge k-väärtusega dielektrikkihti.[5]

Kanali legeerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mida rohkem transistori mõõtmeid vähendatakse seda rohkem tuleks kanali ala legeerida. Teisalt muudab kogu ränialuse liigne legeerimine transistori lävepinge liiga kõrgeks ning lätte ja neelu vahelise siirde läbiöögivoolu madalaks. Seega on tähtis võimalikult täpselt legeerida ainult teatud alasid mitte kogu kanalit.[4]


Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Cheng, Y.; Hu, C.; (1999). "§2.1 MOSFET classification and operation". MOSFET modeling & BSIM3 user's guide. Springer. p. 13. ISBN 0-7923-8575-6.
  2. [1]"International Technology Roadmap for Semiconductors"
  3. "1965 – "Moore's Law" Predicts the Future of Integrated Circuits". Computer History Museum. Kasutatud 4. jaanuaril 2014.
  4. 4,0 4,1 4,2 H. Iwai; S. Ohmi, "Silicon integrated circuit technology from past to future". Microelectronics Reliability 42, lk 465-491 (2002). Kasutatud 27. detsembril 2013.
  5. 5,0 5,1 5,2 Mark T. Bohr; Robert S. Chau; Tahir Ghani; Kaizad Mistry. "The High-k Solution", (2007). Kasutatud 2. jaanuaril 2014.