Väljatransistor

Allikas: Vikipeedia

Väljatransistoriks nimetatakse pooljuhtseadist, mille pooljuhist voolu juhtiva kanali juhtivust mõjutab elektriväli ja sellest tulenevalt on ta erinevalt bipolaartransistorist pingega tüüritav element. Väljatransistori nimetatakse ka unipolaartransistoriks, sest tema väljundvool kujuneb ainult ühenimeliste laengukandjate (kas elektronide või aukude) liikumisena.

n-tüüpi MOSFET

Voolu tüürimise iseloomult jagunevad väljatransistorid:

  1. Elektriväljaga muudetava voolukanali ristlõike muutmise teel nagu see toimub pn- siirdega väljatransistoris
  2. Laengukandjate kontsentratsiooni kanalis nagu see toimub MOP-transistorides

Konstruktsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Väljatransistoril on tavaliselt kolm või neli elektroodi. Üht, voolu juhtiva kanali otsas asuvat elektroodi, kust laengukandjad sisenevad kanalisse nimetatakse lätteks (source), teist, kust laengukandjad väljuvad, neeluks (drain) ja kanali küljel asuvat tüürelektroodi paisuks (gate). Bipolaartransistoridel vastavad neile emitter, baas ja kollektor. Neljas elektrood on alus (body, base; puudub pn-siirdega väljatransistoridel), mis enamasti lätte külge ühendatakse.

Konstruktsioonilt jagunevad väljatransistorid pn-siirdega väljatransistorideks (junction gate field-effect transistor ehk JFET ehk JUGFET) ja isoleeritud paisuga ehk isoleerkihiga väljatransistorideks (MOSFET, MOP) . Lühend tuleneb sõnast metall-oksiid-pooljuht; tarvitatakse ka lühendit MDP, e. metall-dielektrik-pooljuht väljatransistorid. Eristatakse MOP transistoreid, mille pooljuhtmaterjalist kristalli on voolukanal sisse moodustatud - formeeritud, või luuakse see seadise pingestamisel - indutseeritava kanaliga väljatransistoreid.

  • Formeeritud n-kanaliga MOP-transistoris e. n-formeerkanaltransistoris on p-juhtivusega baaskristallile doonorlisandite manustamise teel tekitatud õhuke n-juhtivusega kanal ja selle otstesse tugevamini legeeritud alad, millega on ühendatud lätte ja neelu väljastused.

n-pooljuhi pinnale on kasvatatud 0,1μm paksune dielektriku kiht ja sellele kantud metallikiht, mis toimib paisuna. Kui rakendada n-kanaliga transistori paisule näiteks negatiivne pinge siis tõukab selle tekitatud elektriväli laengukandjaid - elektrone - kanalist välja seda enam, mida negatiivsem on paisule rakendatud pinge. Vastavalt laengukandjate vähenemisele nõrgeneb kanalit neelu ja lätte vahele rakendatava pinge mõjul ka läbiv vool. Niisuguses režiimis töötavat transistorit nimetatakse laengukandjavaeses e. vaesestusrežiimis (inglise depletion-mode-transistor) töötavaks transistoriks.

MOP-väljatransistoreid võib erinevalt pn-siirdega väljatransistorist pingestada ka positiivse paisupingega, sest dielektrikukiht ei lase paisuvoolu tekkida. Niisugusel juhul vabade laengukandjate, s.o. elektronide kontsentratsioon kanali dielektrikupoolses kihis kasvab ning järelikult tugevneb ka neeluvool. Selle režiimi korral on transistor rakendatud tööle laengukandjarikkas ehk rikastusrežiimis (inglise enhancement-mode -(transistor)).

  • Indutseeritava n-kanaliga MOP-transistori e. n-indutseerkanaltransistori p-juhtivusega baasi on lätte ja neelu jaoks moodustatud kõrglegeeritud p+-alad, kuid nende vahel kanal puudub. Metallpais on pooljuhist eraldatud dielektrikukihiga.

Kui niisuguse pooljuhtseadise paisu ja lätte vahel pinge puudub on n-juhtivusega baaskristalli läbiv vool neelu ja lätte vahele rakendatud pinge ükskõik kumma polaarsuse korral väga nõrk sest üks pn-siire on igal juhul vastupingestatud. Juhul kui rakendada paisu ja lätte vahele positiivne pinge mis ületab teatavat lävipingeks nimetatavat väärtust siis rikastub pooljuhi dielektrikukihipoolne kiht elektronidega. Niimoodi kujunebki paisupinge mõjul baasi suhtes vastupidise juhtivusega kanal, seda indutseerkanalit mööda pääsevadki elektronid lättest neelu. Mida positiivsem on paisupinge, seda tugevam on neeluvool. Paisule rakendatava negatiivse pinge korral tõukuks elektronid dielektrikust eemale, järelikult ei saaks kanalit moodustuda ning seetõttu on indutseerkanaliga MOP-transistorit võimalik rakendada tööle üksnes rikastusrežiimis.

Erinevaid väljatransistore[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • JFET ehk JUGFET (junction gate field-effect transistor).
  • CNTFET (carbon nanotube FET) ehk süsiniknanotorude FET - põhimõttelt sarnane MOSFET-ile, kuid kanali ehitamiseks kasutatakse süsinikust tehtud pooljuhtivaid nanotorusid.
  • DEPFET (depleted p-channel field-effect transistor) - selle abil on võimalik toota fotosensoreid ja nende maatriksitest vastavalt fotokaamerate sensoreid.[1]
  • DNAFET (Deoxyribonucleic acid FET) - seade, mis kasutab DNA molekule, et sooritada lülitust. Seda kasutatakse biosensoritena.[2]
  • FREDFET (fast-recovery epitaxial diode field-effect transistor) - seade, mis on võimeline väga kiiresti välja lülituma, ehk juhi režiimist minna mittejuhi režiimi. Seetõttu sobib see hästi induktiivsete tarbijate lülitamiseks (elektrimootorid).
  • HFET ehk HEMT ehk MODFET (High Electron Mobility Transistor) - siin pannakse kokku materjalid, mis on erineva keelutsooniga.
  • ISFET (ion-sensitive field-effect transistor) - seade reageerib ioonide kontsentratsioonile. Paisumaterjaline on kasutuses näiteks SiO2, Si3N4, Al2O3 ja Ta2O5.
  • MESFET (metal semiconductor field-effect transistor) - see seade on sarnane JFET transistorile, aga siia on lisatud veel Schottky ühendus.
  • NOMFET (nanoparticle organic memory FET).
  • OFET (organic field-effect transistor).
  • GNRFET - FET, mis kasutab kanalina süsiniku ühe allotroobi nanoribasid.
  • VESFET (Vertical-Slit FET).
  • SNWFET (Silicon Nano Wire FET).
  • MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ehk metalloksiid pooljuht FET - isoleeritud paisuga väljatransistor.
    • Topeltpaisuga struktuurid (double-gate strukture ehk DGMOSFET).
    • Kolme paisuga struktuurid (tri-gate structure) - näiteks FINFET.
    • Omega kujulise paisustruktuuriga transistorid (omega-gate structure).
    • „Pais igal pool“ ehk ümberringselt kaetud paisuga struktuurid (Gate-All-Around structure ehk GAA).
  • SET (single electron transistor) ehk ühe elektroni transistor - siin on idee digitaalset infot edasi kanda kasutades selleks vaid ühte elektroni.

Ajalugu ja areng[muuda | redigeeri lähteteksti]

Peamised sammud[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • 1925 – FET esitlus Lilienfeld-i poolt
  • 1930 – FET liite esitlus Heili poolt
  • 1947 – Point contact transistor Brattaini, Bardeeni ja Shockley poolt.
  • 1958 – esimene mikroskeem Texas Instrumentilt.
  • 1970 – NMOS
  • 1980 – CMOS
  • 1990 – BICMOS

[3]

Ehitusest[muuda | redigeeri lähteteksti]

Transistori ehitus peab arenema vastavalt elektrostaatilisele sidestatusele võre ja kanali vahel. See areng on enesestmõistetav MOS transistoride jaoks tänu võreoksiidide õhemaks muutmisele. Samuti aitab sellele kaasa metallist võrede ja kõrge dielektrilise läbitavusega (high-k) materjalide kasutuselevõtt.[4]

Väljatransistore saab arendada ka nn. isolaatoripealse ränialusega (Silicon-on-Insulator substrate, SOI) opereerides või võre arhitektuuriga manipuleerides (multi-grid devices). Samuti on need kaks tehnoloogiat integreeritud (multi-grid SOI devices). MOS-idest on tehtud erinevaid variatsioone – topeltpaisuga struktuurid (double-gate structure), kolme paisuga struktuurid (tri-gate structure) – näiteks FinFET, omega-kujuline paisustruktuur (omega-gate structure) ja „pais igal pool“ struktuurid ehk ümberringselt kaetud pais (GAA).[4]

Üheks võimaluseks [[Nanoelektroonika|nanoskaalal] tihedamatesse struktuuridesse minna peetakse ränist nanotorude kasutuselevõttu. Sellisel juhul oleks tegemist SNWFET transistoriga (Silicon Nano Wire FET).[4]

Tulevikuperspektiivi nähakse ka lahendustes, mida uurib molekulaarelektroonika.[4]

CNTFET ehk carbon nanotube FET, mis baseerub süsiniknanotorudel, võib olla üks tulevikuperspektiive transistoride tootmises. Nanotoru on üks suur molekul ja seetõttu kaalutakse alternatiivina siiski kasutada traditsioonilisi molekule väiksemate gabariitidega. Edukaid katseid on tehtud molekuli siirdega, kus ühendus on tehtud järjekorras metall-molekul-metall. Töötavaid prototüüpe on tehtud ka metall-aatom-metall süsteemina.[4]

Jõudes transistori arengus 45 nm tehnoloogiani, üritavad enamus juhtivaid loogikaskeemide tootjaid kasutusele võtta high-k materjale ning varieerivad tootmist nii paisujärgse integratsiooni kui ka paisueelse integratsiooni tehnoloogiatega.[5]

High-k metal gate stack arendamine lubab oksiidikihi paksuse viia 1,85 nm (SiO2) õhemaks kui 1,3 nm (HfO2metal gate). High-k metal gate stack materjalid lubavad võrreldes räniga (SiO2) 3 korda vähendada PMOS transistoride paisu lekkevoolu ning üle 50 korra NMOS transistoride lekkevoolu.[5]

Paisuoksiididest[muuda | redigeeri lähteteksti]

Räniliidese uskumatult head elektroonilised omadused on põhjuseks, miks räni domineerib pooljuhtide tööstuses ja on aidanud kasvatada selle müüginumbreid üle 109 dollari aastas (Semiconductor Industry Association SIA). Transistoride mõõtmete kahanemine on viinud palju kiiremate mikroskeemide tootmiseni. Seejuures on aga vähenenud ka transistori paisu (gate) ränidioksiidist dielektriku paksused, mistõttu on eksponentsiaalselt tõusnud tunnelvoolud. Seetõttu on transistor hakanud rohkem voolu tarbima, kuid selle probleemiga töötatakse.[5]

SiO2 (dielektriline läbitavus K=3,9) on siiani olnud väga populaarne tänu madalatele laengulõksude tihedustele (low density of traps). Üle 40 aasta on seda kasutatud MOSFET-i tootmiseks. Pooljuhttööstuse otsus arendada ränipõhistele MOSFET-idele dielektrikuid ja metallelektroode viis võimaluseni transistori mõõtmeid veel vähendada. Materjalid, mis pidid SiO2 välja vahetama, pidid olema sarnaste elektriliste omadustega kuid ekvivalentse paksusega maksimaalselt 1 nm. SiO2 ei saa olla nii õhuke kahel põhjusel. Esiteks selliste mõõtmete puhul tekib läbi SiO2 kile tunnelvool. Teiseks hakkavad ruumiefekti (size effect) tõttu SiO2 eriomadused muutuma, kui selle mõõtmed on väiksemad kui 0,7 nm.[5]

Paljudel materjalidel (Ta2O5, TiO2, BaTiO3 ja SrTiO3) on dielektriline läbitavus palju suurem kui ränidioksiidi oma (K>3,9). Esialgu prooviti neid kasutada dünaamilise muutmälu (dynamic random-access - DRAMS) tootmise juures. Paraku need reageerisid räniga ning tulemuseks olid low-K SiO2, SrSiO3 ja BaSiO3, mis rikkusid ära soovitud efekti. Esialgu pöörati high-K materjalide otsimisel rõhku ainult lekkevoolu vähendamisele. Lekkevoole suudeti vähendada 5 korda (Al2O3 puhul). Al2O3 baasil tehtud töötav CMOS seadet (complementary metal oxide semiconductor) hakati tootma 200 nm tehnoloogiaga aastaks 2000. Sealjuures avastati kaks esimest suurt probleemi. Esiteks, paljusid dielektrikuid, nagu La2O3, iseloomustab tsoonitasanduspinge, mis voltkarakteristikute mõõtmisel oli nihutatud nende ideaalsete või ootuspäraste positsioonide suhtes. See osutas kompenseerimata dipoollaengute olemasolule oksiidides. Teine probleem oli, et uued high-K materjalid toimisid katalüsaatorina SiO2 tootmisel high-K aine ning substraadi vahele.[5]

Esimene samm vigade parandamisel oli leida binaarseid oksiide ja nitriide, mis oleksid räniga kokkupuutes termodünaamiliselt stabiilsed. Avastati, et BaO oli termodünaamiliselt stabiilne kuni temperatuurini 500 °C, pärast mida hakkas see räni substraadiga keemiliselt reageerima.[5]

Materjalidest[muuda | redigeeri lähteteksti]

Teadmist, milliste materjalidega binaarsed oksiidid on kokkusobivad, kasutati võimalike räniga kokkusobivate mitmekomponentsete oksiidide välja töötamiseks.[5]

On leitud mitmekomponentsed oksiidid, mille parameetrid võiksid ületada HfO2 omadusi, näiteks LaLuO3. Tavalistes CMOS transistorides kasutatakse kõrglegeeritud (heavily doped) polükristallilist räni elektroodina nii p- kui ka n-kanaliga väljatransistori puhul.[5]

Küllastuskihi mahtuvus on võrdne 0,4 nm paksu SiO2 mahtuvusega. See on fundamentaalseks põhjuseks, miks vahetada polükristalliline räni metallist paisude vastu. Teine põhjus, miks hakati metalle uurima, oli et HfO2 oli raske ühendada polükristalse ränielektroodiga. Sellel matejalil oli halb pingelävi ja paksust oli raske kontrollida.[5]

Mitmed metallelektroodid n-kanaliga FET-ide tarvis (nagu näiteks alumiinium), osutusid olevat termiliselt ebastabiilsed korrektse CMOS lülituse jaoks. Sealjuures mitmed metallid p-kanaliga FET- ide tarvis olid stabiilsed ka 800 kuni 1000 °C juures.[5]

Paisuelektroonikaga seonduvaid probleeme (Gate Stack Issues)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Varakult avastati, et high-K metalloksiididel on omadus hapnikku loovutada, mis tekitab aga SiOx kihte, mis omakorda rikuvad transistoride tööd. Mõnede elektroodide puhul, nagu TaN, TiN ja TaC, esines aga nn. „oxygen-scavenging“ efekt (hapnikust puhastamine), mistõttu teise metalli või räni oksiidi kasvamine oli väga väike. See on üks põhjuseid, miks neid ka 2008. aasta seisuga tootmisest leidis. Kõrge dielektrilise läbitavusega metalloksiidide puhul, millel on ka kõrge iooniline polariseeritavus, tuleb arvestada pehmete foononmoodidega (võrevõnkumistega). Võrevõnked takistavad elektronide kulgu läbi materjali. Need võrevõnkumised vähendavad (redutseerivad) laenguliikuvusi transistorides ja see on olemuslik või vähemalt tõsine tagasilöök kõrge dielektrilise läbitavusega (high-k) materjalidega seonduvate seadmete arendustöös. [5]

Polükristallilisest ränist paisu materjalide väljavahetamine metalliliste materjalide vastu parandas mitmeid probleeme, mis olid seotud kõrge dielektrilise läbitavusega (high-k) dielektrikute ja polükristallilise räni mittesobivusega.[5]

Materjalide omavaheline ühendamine (integration)[muuda | redigeeri lähteteksti]

On olemas erinevaid integratsioonitehnoloogiaid. Näiteks:

  • Paisuprotsessijärgne integratsioon ehk sadestusühendus (the gate-last integration approach) – see on madalatel temperatuuridel toimuv protsess, kuna paisumetallidena kasutatavad metallid ei nõua töötlemiseks kõrgeid temperatuure. Kardetakse, et see tehnoloogia ei võimalda tulevikus enam väiksemate transistoride tootmist.[5]
  • Paisuprotsessieelne integratsioon ehk sadestusühendus (the gate-first integration approach) – siin kasutatakse tootmise juures kõrgeid temperatuure (umbes 1080 °C). See tehnoloogia tagab palju siledamad pinnad nii NMOS kui ka PMOS transistoridele.[5]

Väljatransistoride eelised[muuda | redigeeri lähteteksti]

Väljatransistoride eeliseks on eelkõige suurem sisendtakistus (sest sisendvool on väga väike), väiksemad omamürad (sest laengukandjad liiguvad kanalis elektrivälja kiirendaval toimel, s.o. mitte difusioonselt) ja väiksem temperatuurimõju (voolu moodustavad enamuslaengukandjad, mille hulk ei sõltu oluliselt temperatuurist).

Ka on väljatransistoridel tehnoloogilisi eeliseid just integraallülituste valmistamise seisukohalt. Mikroelektroonikas on tänapäeval kasutatavaim tehnoloogia CMOS ehk komplementaarne metall-oksiid-pooljuht tehnoloogia, mis põhineb MOSFET komplementaarpaaridel.

Väljatransistoridel puudub soojuslik läbilöök.

Väljatransistoride puudused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Võrreldes bipolaartransistoridega on väljatransistoride tüüriv elektrood väga tundlik staatilise elektri suhtes ja sageli üle 20 voldi pinget ei talu.

Väljatransistore võib olla kohati keerulisem tüürida, nende jaoks valmistatakse spetsiaalseid draivereid.

Võimsaid ja kõrgepingelisi väljatransistore on väga raske valmistada ja üle 200-voldise pinge puhul neid tänapäeval veel kasutada ei saa.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. http://www.hll.mpg.de/graphics/PDF_BrochArticle/MPI-HLL-brochure_8.pdf 24.01.2012
  2. http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_field-effect_transistor 24.01.2012
  3. http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Course-ECSE-6290%20SDM-2/1%20JFETs%20and%20MESFETs.pdf 24.01.2012
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Jean-Claude Boudenot. “From transistor to nanotube“, Physique 9 2008 41–52
  5. 5,00 5,01 5,02 5,03 5,04 5,05 5,06 5,07 5,08 5,09 5,10 5,11 5,12 5,13 Darrell G. Schlom, Supratik Guha, and Suman Datta. “Gate Oxides Beyond SiO2“, MRS BULLETIN VOLUME 33 NOVEMBER 2008 1017-1025