02.03.2010

Беспереходный транзистор ведёт микросхемы к новым масштабам

Первый в мире транзистор без полупроводниковых переходов построен ирландскими физиками. Как ни удивительно, общий принцип устройства был предложен 85 лет назад, но только теперь его удалось материализовать. Между тем столь долгожданный новичок разрушает один из важных барьеров, стоящих на пути дальнейшего уплотнения электронных схем.

90 нанометров, 60, 30 - кто меньше? Характерные размеры отдельных элементов схемы при изготовлении чипов памяти и всяческих процессоров медленно, но упорно подбираются к масштабу, за которым в производстве возникнут серьёзные сложности. И одна из них - необходимость филигранной "высадки" на поверхности исходной кремниевой пластины различных легирующих примесей, которые превращают полупроводник в материал с разными типами проводимости (дырочной и электронной, или p- и n-типа).

За счёт таких добавок в нужных точках возникают p-n-переходы - промежуточные зоны в месте контакта двух кусков полупроводника с избытком дырок и электронов по обе стороны от границы. Эти переходы - сердце любого транзистора.

Беда в том, что в современных транзисторах, получаемых в составе интегральных схем, "капли" этих разнонаправленных добавок уже составляют по 10 нанометров в поперечнике (и даже меньше) и буквально соседствуют друг с другом. А "статистический" характер внесения атомов примесей и их дальнейшая диффузия сильно затрудняют получение перехода с чётко заданными размерами и границами уже на таких масштабах. На горизонте маячит тупик.

Выход из него удалось найти Жану-Пьеру Коленжу (Jean-Pierre Colinge) и его коллегам из ирландского национального института Тиндалла (Tyndall National Institute). Причём они возродили на новом витке развития техники очень давнюю мысль - транзистор, в котором нет никаких переходов и, соответственно, необходимости в тонких градиентах легирующих примесей в толще материала.

"Хотя идея транзистора без переходов может показаться довольно необычной, само слово "транзистор" не подразумевает обязательного наличия переходов по своей сути", - пишут авторы эксперимента. И ведь выдвинута была эта идея задолго до появления самих микросхем и электронной промышленности.

Всё нынешнее разнообразие транзисторов берёт своё начало в работах австро-венгерского физика Юлия Эдгара Лилиенфельда (Julius Edgar Lilienfeld), предложившего первый вариант данного прибора ещё в 1925 году.

В силу ряда технологических ограничений в последующие годы люди разработали и построили множество иных по строению транзисторов, но не тот самый, о котором рассуждал изобретатель этого полезного устройства. Это осуществила только команда Коленжа.

Её транзистор состоит из кремниевого нанопровода n-типа (проводящий канал), который окружает крайне тонкий слой диоксида кремния. Поверх него лежит своего рода "скоба" из полупроводника p-типа. Она является затвором, и уже одно его присутствие резко сокращает количество свободных электронов в области канала под "скобой". Если между истоком и стоком имеется напряжение, электроны всё равно не побегут по каналу - затвор не позволит.

"Это "обручальное кольцо" - структура, которая "сдавливает" проводящий кремний так же, как вы останавливаете поток воды в шланге, сжав его", - образно поясняет Жан-Пьер вмешательство затвора в работу нанопроводка. Однако подача напряжения на затвор заставляет его "ослабить хватку", и ток начинает проходить.

Аналогично группа построила "зеркальный" вариант своего транзистора, в котором нанопровод обладает проводимостью p-типа, а "обручальное кольцо" - n-типа. Принцип работы системы от такого обращения не меняется, хотя изменяются основные носители заряда.

Авторы устройства сообщают, что оно имеет превосходную вольт-амперную характеристику, крайне низкий ток утечки и меньшее воздействие на нормальную работу затвора скачков напряжения и температуры, чем у нынешних транзисторов.

Малый ток утечки, в свою очередь, благоприятно влияет на энергопотребление схемы. "Беспереходное устройство близко к идеальным электрическим свойствам и ведёт себя как самый совершенный транзистор. Кроме того, оно обладает потенциалом для более быстрой работы с использованием меньшей энергии, чем обычные транзисторы в сегодняшних микропроцессорах", - утверждает Коленж.

Но куда интереснее перспективы для промышленников. "Эту конструкцию легко изготовить даже в миниатюрном масштабе, что приводит нас к крупному прорыву в потенциальном сокращении расходов", - добавляет Жан-Пьер.

Сейчас команда ирландских физиков ведёт переговоры с некоторыми из ведущих компаний - производителей полупроводниковых схем с целью дальнейшего развития и, возможно, лицензирования данной технологии.

Леонид Попов

Источники:

1. membrana.ru