ترانزيستورهای مسطح و نشت جريان
تاريخ :
۱۳۹۱/۶/۲۰
ترانزيستورهای مسطح و نشت جريان
ترانزيستور مسطح
شايد اين ابزار كمي عجيب به نظر برسد، اما در واقع تنها يك سوييچ الكتريكی است. شما مي‌توانيد Source و Drain را به عنوان دو اتصال سيم‌های يك كليد برق استاندارد در‌نظر بگيريد. اگر يك سيم رسانا را به هر دو اتصال مذكور وصل كنيد، يك مدار بسته ايجاد شده و به جريان برق اجازه عبور میدهد. زيرلايه (Substrate) ترانزيستور، همانند يك سيم جادويی عمل‌مي‌كند كه مي‌تواند جريان الكتريسيته را از خود عبور دهد يا ندهد. در اينجا، گيت همان سوييچی است كه كنترل می‌كند آيا جريان توسط سيم عبور داده خواهد شد يا خير.
طراحي كلی ترانزيستور سه بعدی Trigate
رابط بين كارايی و مصرف برق
این موارد، جهش‌های قابل توجهی در عملكرد و بازدهی را به همراه دارند و اینتل را تا حدود زیادی به تحقق رؤیای استفاده از پردازنده‌های 22 نانومتری x86 در تلفن‌های هوشمند نزدیك خواهند كرد. اینتل یك‌بار دیگر ثابت كرد، شهامت و جسارت این شركت در زمینه تولید نیمه‌هادی‌ها هنوز در این صنعت بی‌نظیر است. هر تصوری كه درباره رقابت Atom در برابر ARM در ذهن دارید، باید بپذیرید كه این یك پیشرفت مهم است و اینتل را در رقابت بسیار جلوتر از جایگاهی كه تاكنون داشته قرار میدهد.
پیش از آن‌كه به سراغ بررسی جنبه‌های طراحی ترانزیستور جدید سه بعدی برویم، اجازه بدهید ابتدا به نحوه كار ترانزیستورهای سنتی نگاهی بیاندازیم. شكل 1 یك ترانزیستور «مسطح» سنتی را نشان میدهد، همان نوع ترانزیستوری كه برای نخستین‌بار در آغاز عصر ریزتراشه‌ها اختراع شد و تا امروز یكی از عناصر اصلی مدارهای الكترونیكی را تشكیل می‌داده است. این ترانزیستور از سه بخش اصلی تشكیل شده است: منبع (Source)، مسیر تخلیه (Drain) و گیت (Gate). در واقع این شكل یك نوع خاص از ترانزیستورها، یعنی یك MOSFET را نشان میدهد، اما اجازه بدهید بیش از حد با جزئیات درگیر نشویم.
بنابراین، وقتی یك ولتاژ روی صفحه فلزی شكل‌دهنده گیت ترانزیستور اعمال می‌شود، یك نوار باریك از ماده نیمه‌هادی بین Source و Drain (یا همان سیم جادویی ما) از حالت عایق به یك رسانا تغییر پیدا می‌كند. در نتیجه، سوییچ در وضعیت «روشن» قرار گرفته و به جریان اجازه میدهد تا از Source به Drain عبور كند. با حذف ولتاژ، جریان نیز قطع می‌شود یا حداقل قرار است كه پس از قطع ولتاژ جریانی از این مسیر عبور نكند. در شرایط واقعی، جریان اندكی بهطور دائمی بین Source و Drain وجود دارد. این وضعیت كه تحت عنوان «نشت جریان» شناخته می‌شود، نیروی ارزشمند برق را هدر داده و با كوچك‌تر شدن اندازه ترانزیستورها یا افزایش تعداد آن‌ها تشدید می‌شود.
پس بهطور خلاصه می‌توان گفت، بر اساس ایده ابتدایی، ترانزیستور یك سوییچ است كه عملكرد آن به وجود مقدار كمی ماده عایق میان دو «الكترود» كه بهطور جادویی هنگام اعمال ولتاژ به یك رسانا تبدیل شده و در نتیجه مدار را كامل می‌كند، بستگی دارد. حال اجازه بدهید به شكل 2 نگاهی بیاندازیم كه تصویر متفاوتی از همان سوژه را نشان میدهد. نوار آبی رنگ كوچك كه تحت عنوان لایه وارونگی (Inversion Layer) شناخته می‌شود، ناحیه‌ای از ماده در نزدیكی گیت است كه وقتی در معرض ولتاژ قرار می‌گیرد، به یك رسانای الكتریكی تبدیل می‌شود. باز هم گیت یك صفحه فلزی كوچك است و وقتی ولتاژ روی آن اعمال می‌شود، لایه ماده نیم‌هادی كه درست در زیر آن قرار گرفته به یك رسانا تبدیل می‌شود. حالا با كوچك‌تر شدن گیت‌ها در ترانزیستور، این نوار كوچك آبی رنگ ماده رسانا نیز كوچك‌تر می‌شود. طبیعی است كه با كوچك‌تر شدن این نوار، جریان كمتری می‌تواند از آن عبور كند. وقتی گیت و لایه وارونگی واقعاً كوچك می‌شوند (مانند وضعیتی كه در اندازه‌های 22 نانومتری پیدا می‌كنند)، در وضعیتی كه سوییچ روشن باشد لایه تنها می‌تواند به مقدار بسیار اندكی از جریان الكترون‌ها اجازه عبور دهد. اما وقتی سوییچ در وضعیت خاموش است نیز هنوز یك نشت جریان كوچك در این مسیر وجود دارد.
نتیجه نهایی این است كه سوییچ در وضعیت روشن و خاموش خود تقریباً یكسان به‌نظر می‌رسد. این وضعیت به هیچ‌وجه خوب نیست، زیرا تراشه تنها با تغییر حالت سوییچ به روشن و خاموش است كه می‌تواند كدهای باینری صفر و یك را ارسال كند. دو راه‌حل كلی برای حل این مشكل وجود دارد: نخست كاهش نشت جریان و دوم عبور دادن الكترون‌های بیشتر از نوار رسانای آبی رنگ. طراحی جدید اینتل، كمی از هر دو كار را انجام میدهد. با این‌اوصاف، ما روی گزینه دوم تمركز خواهیم كرد، زیرا بخش عمده‌ای از ویژگی‌های جدید و مهم پیشرفت اخیر اینتل را تشریح می‌كند.
دو روش برای عبور الكترون‌های بیشتر از نوار باریك آبی وجود دارد. نخستین و آشكارترین راه‌حل این است كه مقدار ولتاژی را كه روی گیت اعمال می‌شود، افزایش دهیم تا لایه وارونگی خاصیت رسانایی الكتریكی بیشتری پیدا كند. با این‌حال، راه‌حل مذكور چندان ایده‌آل نیست، زیرا ولتاژ بیشتر به معنای افزایش مصرف برق خواهد بود. روش دیگر كه راه‌حل بهتری به‌شمار می‌آید، این است كه راهی پیدا كنیم تا نوار آبی بزرگ‌تر شود. یك نوار بزرگ‌تر می‌تواند جریان الكتریكی بیشتری را از خود عبور دهد و در عین حال این كار را با ولتاژ كمتری انجام میدهد. به‌عبارت دیگر، نیازی نیست ولتاژ اعمال شده روی گیت را به‌منظور ایجاد رسانایی بیشتر در نوار باریك آبی‌رنگ به طور جدی افزایش دهیم، زیرا خود نوار بزرگ‌تر شده و می‌تواند جریان بیشتر را انتقال دهد. اینتل تصمیم گرفت، از روش دوم استفاده كند و با گسترش گیت در سه بعد، توانست در تلاش خود به موفقیت برسد.
به‌سوی بعد سوم
در ترانزیستور Tri-gate سه‌بعدی كه شكل 3 آن را نشان میدهد، گیت ناحیه سطح بسیار بزرگ‌تری در تماس با ماده نیمه‌هادی دارد، بنابراین لایه وارونگی آبی بسیار بیشتری برای عبور جریان وجود خواهد داشت. این وضعیت باعث می‌شود، تفاوت بسیار بیشتری بین وضعیت‌های «روشن» و «خاموش» ترانزیستور وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، ترانزیستور می‌تواند با سرعت بسیار بیشتری بین دو وضعیت مذكور سوییچ كرده و هنوز یك رشته واضح از صفرها و یك‌ها را تولید كند. در عین حال، اگر شما به تقویت فركانس كاری تراشه علاقه چندانی نداشته و ترجیح می‌دهید كه مصرف برق آن كاهش پیدا كند، می‌توانید از ساختار جدید با اعمال ولتاژ كمتر روی گیت بهره‌برداری كنید. بدون تردید لایه وارونگی مجاور گیت رسانایی كمتری خواهد داشت، اما خود این لایه به‌اندازه كافی بزرگ‌تر شده تا همان مقدار جریان سابق را هنگام روشن بودن سوییچ از خود عبور دهد. بخش میانی كه در طراحی جدید برجسته‌شده، تحت عنوان یك «پره» (Fin) شناخته می‌شود. اگر اینتل بخواهد اندازه‌های گیت و لایه وارونگی را بیش از پیش افزایش دهد، روش فوق به این شركت امكان میدهد تا پره‌های متعددی را در زیر یك گیت واحد اضافه كند. به این ترتیب، كارایی یا بازدهی مصرف برق ترانزیستور به بهای چگالی آن بهبود پیدا خواهد كرد.
نتايج
در نهایت، مزیت توسعه گیت به بعد سوم این است كه شما با راحتی بسیار بیشتری می‌توانید فركانس كاری تراشه را افزایش یا مصرف برق آن را كاهش دهید. البته، بدیهی است كه امكان دستیابی به تركیبی از هر دو نیز وجود خواهد داشت. این رابطه به‌صورت نموداری در شكل 4 نشان داده شده است. اگر در این نمودار «Gate Delay» را به‌عنوان معكوس سرعت كلاك پردازنده در نظر‌بگیرید، می‌توانید وضعیت كلی نمودار را بهطور كامل درك كنید. اینتل مدعی است، ترانزیستورهای Tri-gate با فناوری تولید 22 نانومتری بین 18 تا 37 درصد سریع‌تر از ترانزیستورهای مسطح 32 نانومتری سوییچ می‌كنند (بر حسب سطح ولتاژ). در عین حال، اگر از جنبه ولتاژ به موضوع نگاه كنیم، طراحی جدید می‌تواند مصرف برق را تا پنجاه درصد كاهش دهد.
پردازنده 22 نانومتری آتی اینتل، یعنی Ivy Bridge از این فناوری جدید استفاده خواهد كرد و این موضوع درباره یك نسخه كم‌مصرف از پردازنده‌های Atom اینتل نیز صادق‌خواهد بود. این روش می‌تواند بازدهی مصرف برق پردازنده‌های Atom را بهطور چشم‌گیری بهبود بخشد. البته ما نمی‌خواهیم وارد این بحث شویم كه آیا فناوری جدید در نهایت می‌تواند Atom را در حوزه مصرف برق واقعی وارد قلمروی ARM كند یا خیر، اما تردیدی وجود ندارد كه به این محدوده بسیار نزدیك خواهد شد.