Опубликовано

Что делает транзистор?

Собираем солнечную батарею

В промышленных гелиевых модулях в качестве элемента, преобразующего солнечный свет в электричество, используется кремний. Естественно, этот материал прошел соответствующую обработку, которая превратила природный элемент в кристаллический полупроводник. Этот кристалл нарезается на тончайшие пластины, которые затем служат основой для сборки больших солнечных модулей. Этот же материал используется и при изготовлении полупроводниковых приборов. Поэтому, в принципе, из достаточного количества кремниевых транзисторов можно изготовить солнечную батарею.

Для изготовления гелиевой батареи лучше всего использовать старые мощные приборы, имеющие маркировку «П» или «КТ». Чем мощнее транзистор, тем большую площадь имеет кремниевый кристалл, а следовательно, тем большую площадь будет иметь фотоэлемент. Желательно, чтобы они были рабочие, в противном случае их использование может стать проблематичным. Можно, конечно, попробовать использовать и неисправные транзисторы. Но при этом каждый из них следует проверить на предмет отсутствия короткого замыкания на одном из двух переходов: эмиттер – база или коллектор – база.

От того, какова структура используемых транзисторов (р-n-р или n-р-n), зависит полярность создаваемой батареи. Например, KT819 имеет структуру n-р-n, поэтому для него положительным («+») выходом будет вывод базы, а отрицательными («-«) – выводы эмиттера и коллектора. А транзисторы типа П201, П416 имеют структуру р-n-р, поэтому для них отрицательным («-«) выходом будет вывод базы, а положительными («+») — выводы эмиттера и коллектора. Если взять в качестве фотопреобразователя отечественные П201 – П203, то при хорошем освещении можно получить на выходе ток до трех миллиампер при напряжении в 1.5 вольта.


Транзистор П202М

После того, как будет выбран тип и собрано достаточное количество транзисторов, к примеру, П201 или П416, можно приступать к изготовлению солнечной батареи. Для этого на расточном станке следует сточить фланцы транзисторов и удалить верхнюю часть корпуса. Затем нужно провести рутинную, но необходимую операцию по проверке всех транзисторов на пригодность использования их в качестве фотоэлементов. Для этого следует воспользоваться цифровым мультиметром, установив его в режим миллиамперметра с диапазоном измерения до 20 миллиампер. Соединяем «плюсовой» щуп с коллектором проверяемого транзистора, а «минусовой» — с базой.


Проверка транзистора

Если освещение достаточно хорошее, то мультиметр покажет значение тока в пределах от 0.15 до 0.3 миллиампер. Если значение тока окажется ниже минимального значения, то этот транзистор лучше не использовать. После проверки тока следует проверить напряжение. Не снимая щупов с выводов, мультиметр следует переключить на измерение напряжения в диапазоне до одного вольта. При этом же освещении прибор должен показать напряжение, равное примерно 0.3 вольта. Если показатели тока и напряжения соответствуют приведенным значениям, то транзистор годен для использования в качестве фотоэлемента в составе солнечной батареи.


Схема соединений транзисторов в солнечную батарею

Если есть возможность, то можно попробовать выбрать транзисторы с максимальными показателями. У некоторых транзисторов в плане расположения выводов для монтажа батареи может оказаться более удобным переход база – эмиттер. Тогда свободным остается вывод коллектора. И последнее замечание, которое нужно иметь в виду при изготовлении гелиевой батареи из транзисторов. При сборке батареи следует позаботиться об отводе тепла, так как при нагревании кристалл полупроводника, начиная примерно с температуры +25°С, на каждом последующем градусе теряет около 0.5% от начального напряжения.


Транзисторы П203Э с радиаторами охлаждения

В летний солнечный день кристалл кремния может нагреваться до температуры +80°С. При такой высокой температуре каждый элемент, входящий в состав гелиевой батареи, может терять в среднем до 0.085 вольта. Таким образом, коэффициент полезного действия такой самодельной батареи будет заметно снижаться. Именно для того, чтобы минимизировать потери, и нужен теплоотвод.

Обычный транзистор как элемент солнечной фотовольтаики

Кроме того, что обычный транзистор достаточно просто можно превратить в фотоэлектрический преобразователь, при небольшой фантазии его можно использовать и в других полезных схемах, используя фотоэлектрические свойства полупроводника. И область применения этих свойств может быть самая неожиданная. Причем применять модифицированный транзистор можно в двух вариантах – в режиме солнечной батареи и в режиме фототранзистора. В режиме солнечной батареи с двух выводов (база – коллектор или база – эмиттер) без каких-либо модификаций снимается электрический сигнал, вырабатываемый полупроводником при освещении его.

Фототранзистор представляет собой полупроводниковое устройство, реагирующее на световой поток и работающее во всех диапазонах спектра. Этот прибор преобразовывает излучение в электрический сигнал постоянного тока, одновременно усиливая его. Ток коллектора фототранзистора находится в зависимости от мощности излучения. Чем интенсивнее освещается область базы фототранзистора, тем больше становится ток коллектора.

Из обычного транзистора можно сделать не только фотоэлемент, преобразующий световую энергию в энергию электрическую. Обычный транзистор можно легко превратить в фототранзистор и использовать в дальнейшем уже его новые функциональные возможности. Для такой модификации подходят практически любые транзисторы. Например, серии MП. Если повернуть транзистор выводами кверху, то мы увидим, что вывод базы припаян непосредственно к корпусу транзистора, а выводы эмиттера и коллектора изолированы и заведены вовнутрь. Электроды транзистора расположены треугольником. Если повернуть транзистор так, чтобы вершина этого треугольника – база – была повернута к вам, то коллектор окажется слева, а эмиттер – справа.


Корпус транзистора, сточенный со стороны эмиттера

Теперь надфилем следует аккуратно сточить корпус транзистора со стороны эмиттера до получения сквозного отверстия. Фототранзистор готов к работе. Как и фотоэлемент из транзистора, так и самодельный фототранзистор может быть использован в различных схемах, реагирующих на свет. Например, в датчиках освещенности, которые управляют включением и выключением, например, внешнего освещения.


Схема простейшего датчика освещения

И те, и другие транзисторы могут быть использованы в схемах слежения за положением солнца для управления поворотом солнечных батарей. Слабый сигнал с этих транзисторов достаточно просто усиливается, например, составным транзистором Дарлингтона, который, в свою очередь, уже может управлять силовыми реле.

Примеров использования таких самоделок можно привести великое множество. Сфера их применения ограничивается только фантазией и опытом человека, взявшегося за такую работу. Мигающие елочные гирлянды, регуляторы освещенности в комнате, управление освещением дачного участка… Все это можно сделать своими руками.

Революция в производстве транзисторов

Сергей Пахомов

Устройство традиционного планарного транзистора

Проблемы, возникающие при уменьшении размеров транзисторов

High-K-диэлектрики

В ноябре 2003 года практически на всех новостных компьютерных сайтах появилась информация о разработке новых, революционных технологий производства транзисторов, которые позволят снизить энергопотребление и тепловыделение в процессорах следующего поколения. Если быть более точным, то речь идет о разработке новых материалов для производства транзисторов. Исследователи корпорации Intel создали транзисторы с рекордно высокими параметрами производительности вследствие использования ранее неизвестного диэлектрика затвора с высокой диэлектрической проницаемостью и новых сплавов для производства затвора транзистора.

стественно, такое событие не могло оставить нас равнодушными, и мы решили более подробно ознакомиться с новаторской технологией производства транзисторов. Но прежде чем рассказать читателям о деталях этой технологии и углубиться в дебри современной терминологии, применяемой по отношению к планарным транзисторам, которые используют при производстве процессоров, нам предстоит сделать небольшое отступление и рассмотреть принципы функционирования планарных транзисторов.

Устройство традиционного планарного транзистора

общем смысле транзистор — это устройство, выполняющее функции электронного ключа. Транзистор может находиться в одном из двух состояний: включено (транзистор открыт) или выключено (транзистор закрыт). В этом смысле транзистор подобен механическому выключателю электрической цепи, однако, в отличие от механического переключателя, транзистор, во-первых, можно сделать микроскопически малым и таким образом создавать интегральные микросхемы, насчитывающие сотни миллионов таких транзисторов, а во-вторых, транзистор представляет собой практически безынерционный переключатель, который способен работать на частотах, измеряемых терагерцами, то есть он может включать и выключать цепь триллионы раз в секунду.

Начиная с 60-х годов, со времени создания первой микросхемы, и по сегодняшний день в микросхемах использовались так называемые планарные полевые транзисторы. Основой этих транзисторов является кремний (Si). Чистый кремний — полупроводник, то есть вещество, по проводимости превосходящее диэлектрики, но уступающее металлам. Кремний в чистом виде (именуемый собственным полупроводником) плохо проводит электрический ток, но проводимость кремния увеличивается по мере роста температуры. В отличие от металлов, где носителями заряда являются свободные электроны, в чистых полупроводниках эту роль играют электроны и дырки. Дырка — это вакантное место для электрона, которое образуется в результате того, что один из валентных электронов разрывает связь со своим атомом и переходит в зону проводимости (то есть становится свободным). Образующийся в результате этого положительный ион представляет собой вакантное место для электрона (место, которое может быть заполнено электроном) и называется дыркой. Дырки и электроны обладают подвижностью и способны проводить электрический ток, причем в чистых полупроводниках концентрация дырок и электронов всегда совпадает друг с другом, а направление движения дырок всегда противоположно движению электронов. Процесс образования дырки и электрона происходит под воздействием тепловой энергии: когда тепловая энергия электрона сравнивается с энергией перехода (с шириной запрещенной зоны), происходит образование одной пары носителей. Очевидно, что с ростом температуры количество дырок и электронов увеличивается и проводимость полупроводника возрастает.

Проводимость полупроводника может быть радикально изменена при помощи примесей. Примесью называется вещество, валентность которого отлична от валентности основного полупроводника. Атомы примеси замещают в кристаллической решетке атомы основного полупроводника (в нашем случае — кремния), в результате чего образуются свободные дырки или электроны. Существует два типа примеси: донорная и акцепторная. Донорная примесь приводит к образованию полупроводников n-типа c электронным типом проводимости, а акцепторная примесь — к образованию полупроводников p-типа с дырочным типом проводимости.

Для создания планарного транзистора в кристаллическом кремнии за счет внедрения примесей формируются две легированные области: сток и исток с электронной (транзистор NMOS-типа) или дырочной (транзистор PMOS-типа) проводимостью. Исток и сток полностью равноправны и идентичны друг другу. В этом смысле транзистор симметричен, то есть сток и исток можно менять местами. Исток — это часть транзистора, откуда истекает ток, а сток — куда ток втекает.

В обычном состоянии электроны (для n-типа) или дырки (для p-типа) хотя и диффундируют в область кремния вследствие избыточной концентрации, но не способны перемещаться между стоком и истоком, поскольку неизбежны процессы рекомбинации в области кремния. Кроме того, за счет такой диффузии на границах контактов между легированными областями стока и истока и кремния возникают локальные электрические поля, препятствующие дальнейшей диффузии и приводящие к образованию обедненного носителями слоя. Поэтому в обычном состоянии прохождение тока между истоком и стоком невозможно. Для того чтобы создать канал переноса заряда между стоком и истоком, используется третий управляющий электрод, называемый затвором (рис. 1) и представляющий собой область в верхней части транзистора, состояние которой определяет, включен транзистор или выключен. Традиционно затвор изготавливается из поликристаллического кремния, в котором атомы кремния расположены случайным образом, а не так, как в пространственной решетке.

Рис. 1. Схема традиционного планарного транзистора

Затвор отделен от кремниевой подложки слоем диэлектрика (диэлектриком затвора), в качестве которого выступает диоксид кремния (SiO2). Это вещество — хороший изолятор, то есть не является проводником электрического тока. Наличие тонкого слоя диоксида необходимо для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик диэлектрика затвора.

При подаче потенциала на затвор создаваемое им электрическое поле вытесняет в глубину кремниевой подложки основные носители заряда кремния, а в образующуюся обедненную носителями область втягиваются основные носители заряда стока и истока (мы говорим об основных носителях заряда, а не о конкретно дырках или электронах, поскольку возможно и то и другое). В результате между истоком и стоком в подзатворной области образуется своеобразный канал, насыщенный основными носителями заряда. Если теперь между истоком и стоком приложить напряжение, то по каналу пойдет ток. В этом случае принято говорить, что транзистор находится в открытом состоянии. При исчезновении потенциала на затворе канал разрушается и ток не проходит, то есть транзистор запирается. NMOS-транзисторы включаются, когда на затвор подается положительный потенциал, а PMOS-транзистор — при отрицательном напряжении.

Проблемы, возникающие при уменьшении размеров транзисторов

ся история развития электронной промышленности начиная с 1959 года, когда была создана первая интегральная микросхема, развивалась по пути уменьшения размеров транзисторов и увеличения плотности их размещения на кристалле. Так, самые первые интегральные микросхемы содержали всего несколько десятков микросхем, а современный процессор Intel Pentium 4 насчитывает уже 55 млн. транзисторов на кристалле. Считается, что плотность размещения транзисторов на кристалле подчиняется так называемому закону Мура, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. Это закон (а точнее, предсказание) был сформулирован Гордоном Муром (Gordon E. Moore) еще в 1965 году, когда по просьбе журнала Electronics он написал статью, в которой был дан прогноз относительно того, как будут совершенствоваться полупроводниковые устройства в течение ближайших десяти лет. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, то есть с 1959 года, Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тыс., то есть за десять лет оно увеличится более чем в 1000 раз. А это означало, что каждый год количество транзисторов в одной микросхеме должно удваиваться.

Конечно, в те времена ни сам Гордон Мур, ни кто-либо другой не мог предположить, что опубликованный прогноз на ближайшие десять лет не только в точности сбудется, но и послужит основой для формулирования эмпирического правила развития всей полупроводниковой технологии на много лет вперед. Впрочем, с предсказанием Мура было не все гладко. К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза, и тогда Мур скорректировал период обновления до 24 месяцев, чтобы компенсировать ожидаемое увеличение сложности полупроводниковых компонентов (рис. 2).

Рис. 2. Рост числа транзисторов в процессорах компании Intel

Закон Мура, появившийся как эмпирическое правило, за десятилетия своего существования превратился в один из основных принципов развития полупроводниковой индустрии. С той же неизменностью, с которой зима сменяет осень, а лето — весну, все более мощное и высокоинтегрированное поколение микросхем с постоянной периодичностью приходит на смену предыдущему поколению. При этом уверенность скептиков и маловеров в скорой «кончине» закона Мура парадоксальным образом только усиливается — хотя с внедрением данного поколения Intel справилась, но разработка следующего сопряжена с еще более возросшими в силу физических законов трудностями, и уж тут-то Intel наверняка забуксует! Между тем вся история Intel доказывает, что скептики ошибаются…

Конечно, в процессе эволюции планарных транзисторов менялись не только их размеры. Существенные изменения претерпели и используемые материалы, и даже геометрия самих транзисторов, поскольку для того, чтобы выдержать экспоненциальные темпы увеличения числа транзисторов в одной микросхеме, диктуемые законом Мура, необходимо разрабатывать новые технологии производства. Обратившись к ближайшим планам корпорации Intel по выпуску процессоров (табл. 1), можно сделать вывод, что если сейчас в производство внедряется 90-нанометровый технологический процесс производства микросхем, при котором длина затвора транзистора составляет 50 нм, то в 2009 году планируется освоить промышленный выпуск транзисторов с длиной затвора уже 15 нм (32-нанометровый технологический процесс). Всего же за последние пять лет длина затвора транзистора уменьшилась в четыре раза (табл. 1).

Таблица 1. Темпы сокращения длины затвора транзистора

Естественно, уменьшение размеров транзистора сказывается и на других его характеристиках. Так, если считать, что длина затвора транзистора уменьшается в M раз, то в такое же количество раз уменьшается и толщина слоя диэлектрика, отделяющего область затвора от кремниевой подложки, и ширина затвора, и рабочее напряжение затвора. Кроме того, в M раз возрастает скорость работы транзистора, квадратично увеличивается плотность размещения транзисторов на кристалле, а рассеиваемая мощность уменьшается в M2 раз (табл. 2). Таким образом, становится очевидно, что уменьшение размеров транзисторов положительно сказывается на их характеристиках.

Таблица 2. Изменение характеристик транзистора при уменьшении его геометрических размеров

Сегодня, когда размер транзисторов от поколения к поколению неуклонно уменьшается, а плотность их интеграции на кристалле стремительно возрастает, разработчикам становится все труднее решать технологические проблемы, возникающие в силу действия естественных законов физики.

Главными барьерами на пути миниатюризации транзисторов являются выделение тепла при работе транзистора и утечка электрического тока в том же процессе. Чем меньше транзистор, тем выше тепловыделение и тем больше ток утечки. Токи утечки возникают через слой диэлектрика, отделяющего область затвора от кремниевой подложки, и между истоком и стоком при выключенном состоянии транзистора. Причина возникновения тока утечки через слой диэлектрика заключена в толщине этого слоя. Дело в том, что по мере уменьшения размеров транзистора становилась меньше и толщина слоя диэлектрика (рис. 3).

Рис. 3. Тенденция сокращения толщины диоксида кремния в транзисторах

При этом между длиной канала и толщиной слоя диэлектрика соблюдается простое соотношение:

,

где S — площадь затвора, d — толщина слоя диэлектрика, e — диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика.

В этом смысле понятие емкости затвора очень важно, так как емкостью определяется в том числе и величина тока, проходящего между истоком и стоком. Действительно, поскольку емкость определяет способность накапливать заряд (Q = CU), то при одном и том же управляющем напряжении на затворе при большей емкости можно накопить больший заряд в канале проводимости, а следовательно, создать больший ток. В связи с этим большая емкость позволяет снижать напряжение на затворе, что немаловажно при уменьшении размеров транзисторов. Кроме того, на ток в канале проводимости непосредственно влияет длина самого канала: чем она меньше, тем больший ток можно создать. В общем случае можно сказать, что величина тока между истоком и стоком определяется по формуле:

где m — подвижность носителей заряда, W и L — ширина и длина канала проводимости, U — управляющее напряжение затвора, Un — напряжение срабатывания, C — емкость подзатворной области.

Таким образом, увеличивая емкость подзатворной области за счет уменьшения толщины слоя диэлектрика, можно уменьшать управляющее напряжение на транзисторе (а значит, и сокращать энергопотребление), оставлять при этом неизменным силу тока между истоком и стоком.

Как уже говорилось, в качестве диэлектрического слоя традиционно используется диоксид кремния, диэлектрическая проницаемость которого составляет 3,9. Последние 15 лет производители полупроводников активно стремятся уменьшать размеры слоя диоксида кремния, снижая энергопотребление и повышая эксплуатационные характеристики микросхем.

Однако уменьшение толщины слоя диэлектрика, которое приводит к возрастанию емкости затвора (то есть положительно сказывается на характеристиках транзистора), имеет негативные последствия, связанные с эффектами туннелирования зарядов через слой диэлектрика, что приводит к возникновению токов утечки.

При производстве процессоров по 90-нанометровому технологическому процессу толщина слоя диоксида кремния составляет всего 1,2 нм, а в лабораторных условиях были продемонстрированы результаты экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик транзисторов, в которых использовался слой диоксида кремния величиной 0,8 нм (длина затвора 15 нм). Данные исследований показывают, что каналы транзисторов с 0,8-нм толщиной слоя диоксида кремния обладают хорошей управляемостью. Фактически это уже близко к пределу для данного материала, поскольку в результате дальнейшего уменьшения самого транзистора и, как следствие, утоньшения слоя диоксида кремния ток утечки через диэлектрик затвора заметно возрастет, что приведет к значительным потерям тока и к избыточному тепловыделению. По оценкам экспертов корпорации Intel, в современных чипах уже почти 40% энергии теряется из-за утечек.

«В области полупроводникового производства долгие годы считалось, что тепловыделение и токи утечки являются основной преградой для дальнейшего развития индустрии в соответствии с законом Мура и с использованием сегодняшних транзисторных материалов и структур, — заявил Сунлинь Чжоу (Sunlin Chou), старший вице-президент корпорации Intel и генеральный менеджер подразделения Technology and Manufacturing Group. — Перед отраслью давно стоит глобальная задача разработки и внедрения новых материалов взамен диоксида кремния, находящегося на пределе своих возможностей. Решение этой задачи по степени важности иногда сравнивают с созданием искусственного сердца».

High-K-диэлектрики

ля решения этой важнейшей проблемы корпорация Intel планирует заменить используемый в настоящее время диоксид кремния слоем диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, что позволит значительно снизить токи утечки. Применение таких материалов диэлектрической проницаемости позволяет использовать более толстые слои диэлектрика (а значит, снизить токи утечки) при обеспечении требуемого значения емкости подзатворного конденсатора.

Такие вещества получили название high-K-диэлектрики (буква K также обозначает диэлектрическую проницаемость).

Буква «K» (греческая буква «каппа») в данном случае указывает на способность материала сохранять электрический заряд. Для того чтобы лучше понять этот процесс, проведем аналогию: губка может впитать много воды; дерево тоже может впитать некоторое количество воды, но не так много; стекло же вообще не может впитывать воду. Подобно этому некоторые материалы могут хранить электрический заряд лучше, чем другие, то есть обладают высокой величиной «K». Применение материалов на основе технологии high-K значительно уменьшает утечки, поскольку эти материалы могут иметь большую толщину, чем диоксид кремния, при сохранении тех же свойств.

Пусть, к примеру, емкость конденсатора, образованного диоксидом кремния, равна:

где kox — диэлектрическая проницаемость диоксида кремния, dox — толщина слоя диоксида кремния. Аналогично емкость конденсатора, образованного диэлектриком с высоким значением k, составляет:

где khigh-K — диэлектрическая проницаемость high-K-диэлектрика, dhigh-K — толщина слоя диэлектрика high-K.

Емкость затвора с диэлектриком из оксида кремния будет равна емкости затвора с high-K-диэлектриком при выполнении условия:

Из полученного равенства следует, что для обеспечения равной емкости эквивалентная толщина high-K-диэлектрика (Equivalent Oxide Thickness, EOT) должна быть равной:

Таким образом, использование альтернативных материалов с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяет во столько раз повысить толщину слоя диэлектрика по сравнению с толщиной диоксида кремния, во сколько раз диэлектрическая проницаемость вещества больше диэлектрической проницаемости диоксида кремния (рис. 4). А увеличение слоя диэлектрика, в свою очередь, позволяет уменьшить токи утечки.

Рис. 4. Увеличение толщины слоя диэлектрика при переходе к high-K-материалам

Для замены диоксида кремния, то есть в качестве high-K-материалов, рассматривались различные варианты, в частности Y2O3 , La2O3 , ZrO2 , HfO2 , Ta2O5 и др. Так, согласно информации компании Intel, большинство high-K-диэлектриков изготовлены на основе гафния и циркония. К примеру, диоксид циркония ZrO2 обладает диэлектрической проницаемостью равной 25, что в 6,4 раза больше, чем диэлектрическая проницаемость диоксида кремния. Следовательно, для обеспечения той же самой подзатворной емкости при применении диоксида циркония можно использовать в шесть с лишним раз более толстый слой диэлектрика, а это позволяет снизить ток утечки примерно в 10 тыс. раз.

Для получения диоксида циркония сначала на поверхность кремния осаждают хлористый цирконий ZrCl4 , после чего под воздействием пара он превращается в диоксид циркония, а побочный продукт реакции (соляная кислота) испаряется (рис. 5):

Заменить диоксид кремния на high-K-диэлектрики с целью снижения токов утечки не так просто, как может показаться. И дело в данном случае не в том, что придется менять технологический процесс производства микросхем, а в том, что high-K-диэлектрики плохо сочетаются с поликристаллическим кремнием, из которого изготавливается затвор. В научной литературе есть сведения, что использование структуры «high-K/поликремний» приводит к возникновению высокого порогового напряжения в планарных транзисторах. Кроме того, наблюдается значительное снижение активности движения электронов через канал из-за возникновения так называемого поверхностно-оптического фонового режима (SO) и связанного с ним снижения эксплуатационных характеристик транзистора вследствие поляризации high-K-слоя и инверсии заряда материала канала.

Рис. 5. Получение диоксида циркония или гафния

Поэтому второй важнейшей проблемой является поиск нового материала для самого затвора, который может заменить поликремний и хорошо сочетается с high-K-диэлектриками. Собственно, в разработке такого сочетания high-K-диэлектрика и нового материала затвора и заключается революционный прорыв компании Intel. Естественно, о подробностях этого открытия не сообщается, то есть не предан гласности ни материал high-K-диэлектрика, ни материал, из которого изготавливается затвор. Известно только, что речь идет о сочетании диэлектрика со сплавом металла.

По сведениям корпорации Intel, сочетание диэлектрика затвора с высокой диэлектрической проницаемостью и нового сплава для изготовления затвора позволяет более чем в 100 раз по сравнению с диоксидом кремния снизить токи утечки, сохранив при этом высочайшие рабочие параметры транзисторов. На данный момент в лабораторных условиях созданы высокоэффективные PMOS- и NMOS-транзисторы со стеками, полученными по технологии «high-K/металл». Эти транзисторы обладают длиной затвора равной 80 нм и толщиной слоя оксида приблизительно 1,4 нм. Отмечается, что транзисторы обоих типов показывают очень высокую эффективность при установке соответствующего порогового напряжения и имеют хорошую управляемость характеристик канала.

Специалисты корпорации Intel убеждены, что новые материалы, созданные в результате многолетних исследований, можно интегрировать в экономически эффективный массовый производственный процесс. Транзисторы, изготовленные на основе таких материалов и обладающие рекордными параметрами производительности, рассматриваются в качестве базового варианта для будущих процессоров Intel в рамках производственного процесса с проектной нормой 45 нм (техпроцесс под кодовым номером 1266), который будет запущен в массовое производство уже в 2007 году.

Технологические новации корпорации Intel произвели в компьютерном сообществе эффект разорвавшейся бомбы. «Диоксид кремния в течение многих лет был сердцем транзистора, и его замена сравнима по значимости с операцией по пересадке сердца», — считает Робин Дегрейв (Robin Degraeve), исследователь из бельгийского межуниверситетского центра микроэлектроники, продолжая медицинскую аналогию Сунлиня Чжоу. Таким образом, последовательно инвестируя значительные средства в научные исследования и новые разработки, корпорации Intel удается опровергнуть скепсис оппонентов в плане выполнения закона Мура, продолжая создавать все более мощные и в то же время компактные устройства для самого широкого круга пользователей.

Говоря о перспективах производства процессоров с проектной нормой 45 нм, следует отметить, что сочетание high-K-диэлектриков с металлическим материалом затвора — не единственное нововведение. В частности, в транзисторах следующего поколения будет использоваться технология напряженного, или растянутого, кремния (Strained Silicon Technology) — (рис. 6), которую корпорация Intel планирует использовать уже при производстве микросхем с проектной нормой 90 нм. Идея указанной технологии предельно проста. Как уже было сказано, при миниатюризации транзисторов и уменьшении площади их сечения возрастает сопротивление электрическому току, который проходит через транзистор. В результате транзистор «срабатывает» гораздо медленнее, чем хотелось бы, а тепловыделение, наоборот, только увеличивается. Специалисты корпорации Intel решили «растянуть» кристаллическую решетку в транзисторе, чтобы увеличить расстояние между атомами и облегчить протекание тока.

Рис. 6. Эффект напряженного кремния

Известно, что создание напряжений в пространственной решетке — таких, чтобы атомы кремния находились друг от друга на расстоянии чуть большем, чем их естественное расстояние, — приводит к ускорению переключений транзисторов типа NMOS (так же, как сжатие пространственной решетки приводит к аналогичному эффекту для транзисторов типа PMOS). Это «растяжение/сжатие» именуют напряжением. Инженеры подразделения Logic Technology Development Division корпорации Intel разработали два различных способа для NMOS- и PMOS-транзисторов. В NMOS-транзисторах поверх транзистора в направлении движения электрического тока наносится слой нитрида кремния (Si3N4), вследствие чего кремниевая кристаллическая решетка «растягивается». В PMOS-устройствах это достигается за счет нанесения слоя SiGe в зоне образования переносчиков тока — здесь решетка «сжимается» в направлении движения электрического тока, а потому «дырочный» ток течет свободнее. В обоих случаях прохождение тока значительно облегчается: в первом случае — на 10%, во втором — на 25%, а соединение обеих технологий дает 20-30%-ное ускорение тока.

Другим направлением исследования являются так называемые трехмерные tri-gate-транзисторы c тройным затвором, о разработке которых было объявлено в сентябре 2002 года. Такие транзисторы рассматриваются в качестве основы для 45-нанометрового технологического процесса 2007 года. Вышеописанные транзисторы были планарными, то есть имели один плоский затвор, параллельный поверхности кремниевой подложки. В транзисторе на основе технологии tri-gate использована новая трехмерная структура, в которой затворы как бы «обернуты» вокруг трех сторон кремниевого канала (рис. 7).

Рис. 7. Структура транзистора с тройным затвором

Данная структура позволяет посылать электрические сигналы как по «крыше» транзистора, так и по обеим его «стенам». Благодаря подобной схеме распределения тока эффективно увеличивается площадь, доступная для прохождения тока, а значит, снижается его плотность, а вместе с ней уменьшается и утечка. Особенностью этой конструкции также являются поднятые исток и сток — в результате снижается сопротивление, что позволяет транзистору работать при токе меньшей мощности.

Важно отметить, что транзисторы на основе технологий high-K/metal gate и tri-gate не противоречат, а, скорее, дополняют друг друга. Поэтому транзистор будущего поколения, вероятно, будет воплощать в себе обе технологии.

Российская силовая электроника вытесняет импорт

Российский производитель микроэлектроники «Ангстрем» объявил о старте продаж гражданской коммерческой продукции, созданной в рамках программы импортозамещения на 2014-2016 годы. Ассортимент компании пополнился сразу целой линейкой силовой электроники, причём уровень производства позволяет конкурировать с зарубежными производителями даже без учёта более низких цен.

Сотрудники «Ангстрема» сумели разработать за этот год более 300 наименований транзисторов и модульных сборок, актуальных для жилищно-коммунального хозяйства, общественного транспорта и строительства. При этом разработан полный цикл производства, от кристаллов и до окончательной сборки в корпус. Разработанный ассортимент представляет собой силовые IGBT- и FRD-модули, а также силовые IGBT/MOSFET-транзисторы:

«Основными потребителями силовых модулей на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и быстровосстанавливающихся диодов (FRD) являются производители общественного транспорта на электрической тяге, а также компании, эксплуатирующие его. Большое количество IGBT-модулей используется в сфере ЖКХ, а именно в лифтовом оборудовании, системах водо- и теплоснабжения) и энергетике. Особо стоит выделить тот факт, что российские разработчики ориентировались на самые массовые в применении силовые IGBT-модули. В настоящее время уже можно заказать на «Ангстреме» масштабную линейку модулей в диапазоне напряжений от 600В до 1700В и максимальных токов от 75А до 600А, имеющих различные конфигурации: полумост, чоппер, одиночный ключ. Новая российская силовая электроника выполнена в наиболее распространённых корпусах 34 и 62 мм: MPP-34, MPP-62, MPP-62-2. Все корпуса выполнены по международным стандартам, применяемым при проектировании силовых модулей».

Фото: http://sdelanounas.ru

Попробуем разобраться в процитированном, чтобы было понятно и не специалистам, и оценить важность разработки на школьном уровне физики.

Отличительная особенность силовых транзисторов IGBT — это изоляция управляющего затвора от силовой цепи, полное название прибора это описывает: «биполярный транзистор с изолированным затвором». Проще говоря, для управления таким мощным транзистором не требуется значительной мощности тока в управляющей цепи, и коммутационная схема работает отдельно от силовой, на низких значениях мощности тока.

Такие транзисторы широко востребованы в частотных преобразователях двигателей переменного тока, мощность которых может доходить до 1 МВт. Понятно, что классический транзистор такого не выдержит. При этом частота коммутационных действий и вольтамперные характеристики IGBT-транзистора лучше, чем у обычного биполярного, что выражается в значительном снижении потерь статического и динамического типа, устойчивости к воздействию короткого замыкания (до 50 микросекунд — по данным производителя).

Отсутствие управляющего тока силовой мощности позволяет обходиться без гальванической изоляции схем управления и даёт возможность конструирования интегральных схем, содержащих IGBT-транзисторы. Проще говоря: дешевле, надёжнее, безопаснее, компактнее.

Директор департамента продаж силовой электроники ОАО «Ангстрем» Евгений Кузьмин указывает на стратегическую важность разработки:

«Сегодня почти 100% силовых модулей, используемых в коммунальном хозяйстве и электрическом общественном транспорте, иностранного производства. … Стоимость же отечественных IGBT-модулей не будет так жестко привязана к валютным колебаниям».

Уже выпускаемые модули рассчитаны на напряжение от 600–1700В и максимальные токи 75–600А. Освоено производство элементов различных конфигураций: полумост, чоппер (нижний или верхний), одиночный ключ, трехфазный полумост.

Фото: http://group-kremny.ru

Также уже сейчас освоены корпуса типов SEMITRANS2, SEMITRANS3, SEMITRANS4 и ECONOPACK3.

Фото: http://kit-e.ru

Фото: http://rs-catalog.ru

Быстровосстанавливающиеся диоды (FRD) — крайне востребованная группа силовой электроники. Диоды принято делить на выпрямительные (предназначены для преобразования переменного тока в постоянный) и быстродействующие (используются в преобразователях постоянного тока в переменный), которые выдерживают значительные динамические нагрузки (переходы от проводящего к непроводящему состоянию).

Если время обратного восстановления стандартных диодов —25-100 мкс, то быстровосстанавливающиеся диоды имеют время обратного восстановления до 3-5 мкс (понятно, что при этом снижаются допустимые значения прямого тока и обратного напряжения), а наиболее быстродействующие диоды — даже до 0,1-0,5 мкс, что позволяет их использовать в высокочастотных цепях с частотами в 10 кГц и выше, а также в импульсных цепях.

Возможность не зависеть от иностранных производителей в столь стратегически важной области — убедительная победа российской электроники. При этом, по словам производителя, наша продукция надёжнее: она устойчива к коротким замыканиям и имеет более «мягкие» характеристики переключения FRD-диодов.

На означенном рубеже «Ангстрем» не останавливается: уже ведется разработка модулей на 3300В и кристаллов IGBT и SFRD на 4500В и 6500В. Объём рынка в обсуждаемой области — около 5 миллиардов рублей, есть куда вторгаться.

Но, конечно, главное — это импортозамещение, в котором «Ангстрем» принимает активное участие: уже сейчас мы можем полностью закрыть свои потребности в IGBT-модулях большой мощности в разработанном диапазоне характеристик.

Российская компания «Ангстрем» активно участвует в процессе импортозамещения.

При этом на гражданской силовой электронике «Ангстрем» не зацикливается: уже разрабатываются ДМОП-транзисторы для аппаратуры космического назначения и другие радиационно-стойкие силовые коммутаторы.

Главный конструктор ОАО «Ангстрем» Павел Машевич считает, что предприятию по силам импортозамещение в области силовой микроэлектроники приблизительно на 90% в ближайшем будущем:

«Буквально за два года мы должны наверстать тот разрыв в создании и производстве электронной компонентной базы, который образовался у нас в результате провала конца 80-х и 90-х годов прошлого века. Целью ОКРов является отработка технологии производства новейшего поколения ЭКБ для стратегически важных, военной и космической, сфер».

Во всех подобных новостях радует, во-первых, одновременно ведущиеся гражданские и военные и специальные разработки (чего, к сожалению, не было в СССР), а во-вторых, такие вот прорывы: практически никакого пиара, как это было бы на Западе — работаем, работаем… и вдруг — внезапно! — разработали как минимум на передовом международном уровне и запускаем в производство. Причём именно в стратегически важных областях.

Андрей Борцов
http://politrussia.com

Где бесплатно достать радиодетали?

Где бесплатно достать радиодетали? Этим вопросом задаются именно начинающие электронщики, особенно школьники и бедные студенты.

В наше время бесплатный сыр только в мышеловке. Но! Не стоит отчаиваться! Думаю, вы все в курсе, где можно найти бесплатные радиодетали. Да… Российские помойки и свалки! Самые богатые места, где можно на халяву поживиться радиодеталями). В основном сейчас уже выкидывают старые кинескопные телевизоры и мониторы, допотопные видеомагнитофоны, а также ЖК-мониторы. Иногда даже не надо далеко ходить. Часто это добро можно найти прямо около мусорных контейнеров у вас во дворах

У меня на чердаке завалялись пара видеомагнитофонов. Валялись очень долго. Пока я в отпуске, решил их демонтировать и содрать некоторые радиоэлементы. А какие именно радиоэлементы лучше сдирать со старой техники, об этом мы с вами поговорим в этой статье.

Для демонтажа радиоэлементов нам понадобятся:

Паяльник-отсос. Очень удобный китайский девайс. С ним за считанные секунды можно демонтировать любую радиопобрякушку. Сразу греет и отсасывает:

Если у вас нету такого крутого инструмента, то можно прикупить просто оловоотсос. По цене он в разы дешевле, но в другой руке вам придется держать паяльник. То есть обе руки будут заняты. Согласитесь, не айс.

Также очень хорошо себя зарекомендовала паяльная медная оплетка:

Для эстетов очень будет хорош демонтажный пистолет. Нажал на кнопочку, припой засосало. Но опять же цена у качественных демонтажных пистолетов не для нашего рядового электронщика.

Ну и конечно, без паяльника нам делать нечего! Желательно, чтобы паяльник был помощнее, но не 100 Ваттный, конечно.

А вот и наш клиент. Кассетный видеомагнитофон

Первым делом обрезаем или отпаиваем сетевой шнур. В радиомагазинах нулёвый стоит от 50 руб.

Вскрываем потроха мафона и сразу примечаем, чем можно поживиться:

Первым делом идут в ход провода. Думаю, пригодятся.

Отцепляем разъемы проводов, а где не отцепляется, отрезаем ножницами. Ну что ж, неплохой трофей)

Чтобы удобней было демонтировать аппаратуру, следует начинать с крупногабаритных изделий. Снимаем радиатор и прячем в загашник.

Далее достаем плату блока питания. Хорошей наживой для нас будет трансформатор. В радиомагазинах такой транс стоит от 200 руб.

Остатки припоя после оловоотсосов очень удобно снимать с помощью медной оплетки

В этих же целях подойдет экран от ТВ кабеля или других экранированных кабелей

Итак, какую же мелочевку желательно сдирать с плат? Я в основном сдираю:

– сетевые трансформаторы. Чем габаритнее, тем лучше.

– предохранители

– диоды, светодиоды и диодные мосты

– кнопочки и другие коммутационные изделия

– почти все транзисторы и другие трехвыводные элементы

– электролитические конденсаторы хороших емкостей

– различные подстроечные и переменные резисторы

– некоторые виды катушек индуктивностей

– редкие и эксклюзивные радиодетали

Микросхемы в современной радиоаппаратуре не сдираю, так как их “затачивают” под определенные конкретные задачи, типа модуль цветности, контроллер питания и тд. Думаю, вы поняли. Вот пример того, что я содрал с платы магнитофона:

Другую мелочевку типа резисторов, кондеров маленькой емкости, диодов смысла выпаивать нету. Их проще и дешевле купить на Алиэкспрессе сразу целым набором.

Также разобрав видемагнитофон, нашел хороший движок, из которого можно соорудить Мини-дрель своими руками

Ну что же, не зря провозился весь вечер. В загашнике радиоэлементов чуть-чуть прибавилось да и пару соток рублей сэкономил). Думаю, радиодетальки пригодятся в недалеком будущем. После выпайки их можно отсортировать. Когда будете брать радиодетали из загашника, не забудьте их проверить на работоспособность, иначе рискуете вставить в схему дефектный радиоэлемент.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *