Isoleeritud paisuga väljatransistor: erinevus redaktsioonide vahel

Isoleeritud paisuga väljatransistoril on paisu ja kanali vahel õhuke [[Isolaator|isolaatorkiht]], milleks on enamasti olnud [[ränidioksiid]]. Tänapäeval toodetavate võimsate [[mikroprotsessor|mikroprotsessorite]] puhul kasutatakse [[Ränidioksiid|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 [[Materjal|materjalina]] on [[Metallid|metalli]] asemel kasutatud [[Polükristalliline räni|polükristallilist räni]]. Uusimates tehnoloogiates on pais aga jällegi kas osaliselt või täielikult metalne.

Traditsioonilise metall-oksiid-pooljuht [[Struktuur|struktuuri]] loomiseks sadestatakse [[Pooljuhtplaat|räniplaadile]] (K) [[Ränidioksiid|ränidioksiidi]] kiht (D) ningja sellele sadestatakse [[Metallid|metalli]] või [[Polükristalliline räni|polükristallilise räni]] kile (P). Kuna [[ränidioksiid]] on [[dielektrik]], moodustab loodud struktuur [[Kondensaator|kondensaatori]], mille üks [[elektrood]] (Kanalkanal) on asendatud [[Pooljuht|pooljuhiga]]. Paisule rakendatava [[Pinge (elekter)|pinge]] muutmisega muutub [[Laeng|laengute]] jaotus pooljuhis. Selle tagajärjel võimaldatakse või takistatakse olenevalt rakendatud pinge [[Polaarsus|polaarsusest]] elektrivoolu liikumist kanalis lätte (L) ja neelu (N) vahel.<ref>Cheng, Y.; Hu, C.; (1999). [http://books.google.com/books?id=R5DP56qUql4C&pg=PA13 "§2.1 MOSFET classification and operation"]. MOSFET modeling & BSIM3 user's guide. Springer. p. 13. ISBN 0-7923-8575-6.</ref>

Vaatleme n-juhtivusega transistore, sest need on enam levinud. SelliselSel 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 (elekter)|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 -– siissee on vaegus- (vaesustamise) režiim.

* Kui anda positiivne pinge, siis tõmmatakse laenguid kanalisse juurde ningja vool läbi kanali suureneb -– rikastusrežiim.

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

Viimaste aastakümnete jooksul on isoleeritud paisuga väljatransistoride mõõtmed järjest vähenenud. Kui 1990. aastatel mõõdeti MOSFET-ide kanali laiusilaiust [[Mikromeeter|mikromeetrites]], siis tänapäeval on kanali laiuseks mõnikümmend [[Nanomeeter|nanomeetrit]]. [[Intel]], üks maailma juhtivaid pooljuhtkiipide tootjaid, alustas 32 nm suuruste MOSFET-ide [[Seeriatootmine|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 [[kompetents|kompetentsid]], mille arendamisse tuleks pooljuhttehnoloogia arengu tagamiseks järgmiseligikaudu umbesjärgmise 15 aasta jooksul kõige rohkem panustada.<ref><span class="reference-text"><span class="citation web">[http://www.itrs.net ][http://www.itrs.net/about.html "International Technology Roadmap for Semiconductors"]</span></span></ref>

MOSFET transistoride mõõtmete vähendamine on oluline mitmel põhjusel. Esiteks on võimalik väiksemaid transistore ühte [[mikrokiip|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.<ref>"[http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1965-Moore.html 1965 – "Moore's Law" Predicts the Future of Integrated Circuits]". Computer History Museum. Kasutatud 4. jaanuaril 2014.</ref> Mõõtmete vähendamine võimaldab toota sama suuruse, kuid rohkemate võimalustega või samade võimalustega, kuid väiksemaid mikrokiipe. Kuna pooljuhtplaatitepooljuhtplaatide ja nende peale mikrokiipide tootmise kuludest suurema osa moodustavad [[püsikulu|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 [[Mastaabisääst|mastaabisäästu]] tõttu olema odavam.<ref name=":0">H. Iwai; S. Ohmi, "[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002627140200032X Silicon integrated circuit technology from past to future]". Microelectronics Reliability 42, lk 465-491 (2002). Kasutatud 27. detsembril 2013.</ref>

Lisaks sellele on väiksemate komponentide [[mahtuvus]] väiksem, mis muudab neid kiiremaks ja/või efektiivsemaks. Üks võimalus transistori mõõtmeid vähendada on [[Proportsionaalne seos|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 [[Ajakonstant|RC-ahela viivitus]]. Kui varasemaltvarem 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.<ref name=":0" />

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

Seoses järjest suurema lülituselementide tihedusega sama suure pindalaga [[Mikrokiip|mikrokiibil]] eraldub selle kiibi töötamisel rohkem [[Soojus|soojust]]. Kõrgematel temperatuuridel töötavad mikroskeemid aeglasemalt ning nende [[töökindlus]] väheneb ja tööiga vähenevadlüheneb. Seetõttu tuleb järjest rohkem tähelepanu pöörata [[Protsessor|mikroprotsessorite]] jahutamisele. Jahutamiseks kasutatakse [[Arvuti_jahutus#Passiivne_radiaatorjahutus|radiaatoreid]], [[Arvuti_jahutus#Vesijahutus|vesijahutust]] või isegi vedelat [[Lämmastik|lämmastikku]].

Paisuelektroodi materjali oluliseimolulisim omadus on hea [[elektrijuhtivus]]. Kuni 1970. aastate keskpaigani kasutati paisuelektroodina [[Alumiinium|alumiiniumit]]. Viimased paarkümmend aastat on paisu materjalina kasutatud [[Galliumarseniid#Legeerimine|legeeritud]] [[polükristalliline räni|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 [[tööfunktsioon|tööfunktsioonide]] vahest. Kuna polüräni on [[pooljuht]], on võimalik tema omadusi ja tööfunktsiooni [[legeerimine|legeerimisega]] muuta.

* Räni ja ränidioksiidi kokkupuutepinna omadusi on aja jooksul palju uuritud ningja on järeldatud, et sellel on suhteliselt vähe [[Defekt|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.

* Polüräni ei ole hea [[elektrijuht]] (umbes 1000 korda suurema [[Takistus|takistusega]] kui metallid) mistõttu levib signaal temas aeglasemalt. [[Juhtivus|Juhtivust]] saab [[legeerimine|legeerimise]] abil parandada, kuid isegi kõrglegeeritud räni ei ole nii hea juht kui metallid. Juhtivuse edasiseks parandamiseks [[Legeerimine|legeeritakse]] polüräni ülemistesse kihtidesse [[Volfram|volframi]], [[Titaan|titaanii]], [[Koobalt|koobaltit]] või [[Nikkel|niklit]]. Legeerimine parandab polüräni elektrilisi omadusi ningja vähendab [[Sulamine|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. SelliselSel juhul võib täheldada polüräni ammendumist (''polysilicon depletion effect''), kus [[lävipinge]] muutub ningja 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.<ref name=":1" />

Kõrge dielektrilise läbitavusega paisudielektriku (''high-k dielectrics'') materjalidena on katsetatud erinevateselliste ühenditega nagu HfO₂, ZrO₂, TiO₂, Al₂O₃, Ta₂O_5, HfSiO₄, ZrSiO₃. Kõrge k-väärtusega dielektikkihi kasutuselevõtt aitab oluliselt vähendada elektronide tunnelleerumist kanalist paisuelektroodile ningja seeläbisellega vähendada transistori voolutarvet. Lisaks sellele õnnestus uute materjalide tootmiseks kasutusele võetud [[Aatomkihtsadestamine|aatomkihtsadestusmeetodi ]]<nowiki/>abil vähendada defektide arvu dielektriku piirpinnal, mille tõttu vähenes laengukandjate lõksustumine. Alates 2007. aastast ja 45 nm tehnoloogiast kasutatakse Inteli protsessorite tootmisel metallist paisuelektroodi ningja kõrge k-väärtusega dielektrikkihti.<ref name=":1" />

Mida rohkem transistori mõõtmeid vähendatakse, seda rohkem tuleks kanali ala [[Legeerimine|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.<ref name=":0" />