ترازیستورهای سه بعدی

ترانزيستورهاي مسطح و نشت جريان
پيش از آن‌كه به سراغ بررسي جنبه‌هاي طراحي ترانزيستور جديد سه بعدی برويم، اجازه بدهيد ابتدا به نحوه كار ترانزيستورهاي سنتي نگاهي بياندازيم. شكل 1 يك ترانزيستور «مسطح» سنتي را نشان مي‌دهد، همان نوع ترانزيستوري كه براي نخستين‌بار در آغاز عصر ريزتراشه‌ها اختراع شد و تا امروز يكي از عناصر اصلي مدارهاي الكترونيكي را تشكيل مي‌داده است. اين ترانزيستور از سه بخش اصلي تشكيل شده است: منبع (Source)، مسير تخليه (Drain) و گيت (Gate). در واقع اين شكل يك نوع خاص از ترانزيستورها، يعني يك MOSFET را نشان مي‌دهد، اما اجازه بدهيد بيش از حد با جزئيات درگير نشويم.

شكل 1- يك ترانزيستور مسطح

شايد اين ابزار كمي عجيب به نظر برسد، اما در واقع تنها يك سوييچ الكتريكي است. شما مي‌توانيد Source و Drain را به‌عنوان دو اتصال سيم‌هاي 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 مي‌دهد. زيرلايه (Substrate) ترانزيستور، همانند يك سيم جادويي عمل‌مي‌كند كه مي‌تواند جريان الكتريسيته را از خود عبور دهد يا ندهد. در اينجا، گيت همان سوييچي است كه كنترل مي‌كند آيا جريان توسط سيم عبور داده خواهد شد يا خير.

بنابراين، وقتي يك ولتاژ روي صفحه فلزي شكل‌دهنده گيت ترانزيستور اعمال مي‌شود، يك نوار باريك از ماده نيمه‌هادي بين Source و Drain (يا همان سيم جادويي ما) از حالت عايق به يك رسانا تغيير پيدا مي‌كند. در نتيجه، سوييچ در وضعيت «روشن» قرار گرفته و به جريان اجازه مي‌دهد تا از Source به Drain عبور كند. با حذف ولتاژ، جريان نيز قطع مي‌شود يا حداقل قرار است كه پس از قطع ولتاژ جرياني از اين مسير عبور نكند. در شرايط واقعي، جريان اندكي به‌طور دائمي بين Source و Drain وجود دارد. اين وضعيت كه تحت عنوان «نشت جريان» شناخته مي‌شود، نيروي ارزشمند برق را هدر داده و با كوچك‌تر شدن اندازه ترانزيستورها يا افزايش تعداد آن‌ها تشديد مي‌شود.

پس به‌طور خلاصه مي‌توان گفت، بر اساس ايده ابتدايي، ترانزيستور يك سوييچ است كه عملكرد آن به وجود مقدار كمي ماده عايق ميان دو «الكترود» كه به‌‌طور جادويي هنگام اعمال ولتاژ به يك رسانا تبديل شده و در نتيجه مدار را كامل مي‌كند، بستگي دارد. حال اجازه بدهيد به شكل 2 نگاهي بياندازيم كه تصوير متفاوتي از همان سوژه را نشان مي‌دهد. نوار آبي رنگ كوچك كه تحت عنوان لايه وارونگي  (Inversion Layer) شناخته مي‌شود، ناحيه‌اي از ماده در نزديكي گيت است كه وقتي در معرض ولتاژ قرار مي‌گيرد، به يك رساناي الكتريكي تبديل مي‌شود. باز هم گيت يك صفحه فلزي كوچك است و وقتي ولتاژ روي آن اعمال مي‌شود، لايه ماده نيم‌هادي كه درست در زير آن قرار گرفته به يك رسانا تبديل مي‌شود. حالا با كوچك‌تر شدن گيت‌ها در ترانزيستور، اين نوار كوچك آبي رنگ ماده رسانا نيز كوچك‌تر مي‌شود. طبيعي است كه با كوچك‌تر شدن اين نوار، جريان كمتري مي‌تواند از آن عبور كند. وقتي گيت و لايه وارونگي واقعاً كوچك مي‌شوند (مانند وضعيتي كه در اندازه‌هاي 22 نانومتري پيدا مي‌كنند)، در وضعيتي كه سوييچ روشن باشد لايه تنها مي‌تواند به مقدار بسيار اندكي از جريان الكترون‌ها اجازه عبور دهد. اما وقتي سوييچ در وضعيت خاموش است نيز هنوز يك نشت جريان كوچك در اين مسير وجود دارد.

شكل 2

 نتيجه نهايي اين است كه سوييچ در وضعيت روشن و خاموش خود تقريباً يكسان به‌نظر مي‌رسد. اين وضعيت به هيچ‌وجه خوب نيست، زيرا تراشه تنها با تغيير حالت سوييچ به روشن و خاموش است كه مي‌تواند كدهاي باينري صفر و يك را ارسال كند. دو راه‌حل كلي براي حل اين مشكل وجود دارد: نخست كاهش نشت جريان و دوم عبور دادن الكترون‌هاي بيشتر از نوار رساناي آبي رنگ. طراحي جديد اينتل، كمي از هر دو كار را انجام مي‌دهد. با اين‌اوصاف، ما روي گزينه دوم تمركز خواهيم كرد، زيرا بخش عمده‌اي از ويژگي‌هاي جديد و مهم پيشرفت اخير اينتل را تشريح مي‌كند.

دو روش براي عبور الكترون‌هاي بيشتر از نوار باريك آبي وجود دارد. نخستين و آشكارترين راه‌حل اين است كه مقدار ولتاژي را كه روي گيت اعمال مي‌شود، افزايش دهيم تا لايه وارونگي خاصيت رسانايي الكتريكي بيشتري پيدا كند. با اين‌حال، راه‌حل مذكور چندان ايده‌آل نيست، زيرا ولتاژ بيشتر به معناي افزايش مصرف برق خواهد بود. روش ديگر كه راه‌حل بهتري به‌شمار مي‌آيد، اين است كه راهي پيدا كنيم تا نوار آبي بزرگ‌تر شود. يك نوار بزرگ‌تر مي‌تواند جريان الكتريكي بيشتري را از خود عبور دهد و در عين حال اين كار را با ولتاژ كمتري انجام مي‌دهد. به‌عبارت ديگر، نيازي نيست ولتاژ اعمال شده روي گيت را به‌منظور ايجاد رسانايي بيشتر در نوار باريك آبي‌رنگ به‌طور جدي افزايش دهيم، زيرا خود نوار بزرگ‌تر شده و مي‌تواند جريان بيشتر را انتقال دهد. اينتل تصميم گرفت، از روش دوم استفاده كند و با گسترش گيت در سه بعد، توانست در تلاش خود به موفقيت برسد.

به‌سوي بعد سوم
در ترانزيستور Tri-gate سه‌بعدي كه شكل 3 آن را نشان مي‌دهد، گيت ناحيه سطح بسيار بزرگ‌تري در تماس با ماده نيمه‌هادي دارد، بنابراين لايه وارونگي آبي بسيار بيشتري براي عبور جريان وجود خواهد داشت. اين وضعيت باعث مي‌شود، تفاوت بسيار بيشتري بين وضعيت‌هاي «روشن» و «خاموش» ترانزيستور وجود داشته باشد. به عبارت ديگر، ترانزيستور مي‌تواند با سرعت بسيار بيشتري بين دو وضعيت مذكور سوييچ كرده و هنوز يك رشته واضح از صفرها و يك‌ها را توليد كند. در عين حال، اگر شما به تقويت فركانس كاري تراشه علاقه چنداني نداشته و ترجيح مي‌دهيد كه مصرف برق آن كاهش پيدا كند، مي‌توانيد از ساختار جديد با اعمال ولتاژ كمتر روي گيت بهره‌برداري كنيد. بدون ترديد لايه وارونگي مجاور گيت رسانايي كمتري خواهد داشت، اما خود اين لايه به‌اندازه كافي بزرگ‌تر شده تا همان مقدار جريان سابق را هنگام روشن بودن سوييچ از خود عبور دهد. بخش مياني كه در طراحي جديد برجسته‌شده، تحت عنوان يك «پره» (Fin) شناخته مي‌شود. اگر اينتل بخواهد اندازه‌هاي گيت و لايه وارونگي را بيش از پيش افزايش دهد، روش فوق به اين شركت امكان مي‌دهد تا پره‌هاي متعددي را در زير يك گيت واحد اضافه كند. به اين ترتيب، كارايي يا بازدهي مصرف برق ترانزيستور به بهاي چگالي آن بهبود پيدا خواهد كرد.

شكل 3- طراحي كلي ترانزيستور سه بعدي Trigate

نتايج
در نهايت، مزيت توسعه گيت به بعد سوم اين است كه شما با راحتي بسيار بيشتري مي‌توانيد فركانس كاري تراشه را افزايش يا مصرف برق آن را كاهش دهيد. البته، بديهي است كه امكان دستيابي به تركيبي از هر دو نيز وجود خواهد داشت. اين رابطه به‌صورت نموداري در شكل 4 نشان داده شده است. اگر در اين نمودار «Gate Delay» را به‌عنوان معكوس سرعت كلاك پردازنده در نظر‌بگيريد، مي‌توانيد وضعيت كلي نمودار را به‌طور كامل درك كنيد. اينتل مدعي است، ترانزيستورهاي Tri-gate  با فناوري توليد22 نانومتري بين 18 تا 37 درصد سريع‌تر از ترانزيستورهاي مسطح 32 نانومتري سوييچ مي‌كنند (بر حسب سطح ولتاژ). در عين حال، اگر از جنبه ولتاژ به موضوع نگاه كنيم، طراحي جديد مي‌تواند مصرف برق را تا پنجاه درصد كاهش دهد.

شكل 4- رابط بين كارايي و مصرف برق

اين موارد، جهش‌هاي قابل توجهي در عملكرد و بازدهي را به همراه دارند و اينتل را تا حدود زيادي به تحقق رؤياي استفاده از پردازنده‌هاي 22 نانومتري x86 در تلفن‌هاي هوشمند نزديك خواهند كرد. اينتل يك‌بار ديگر ثابت كرد، شهامت و جسارت اين شركت در زمينه توليد نيمه‌هادي‌ها هنوز در اين صنعت بي‌نظير است. هر تصوري كه درباره رقابت Atom در برابر ARM در ذهن داريد، بايد بپذيريد كه اين يك پيشرفت مهم است و اينتل را در رقابت بسيار جلوتر از جايگاهي كه تاكنون داشته قرار مي‌دهد.

پردازنده 22 نانومتري آتي اينتل، يعني Ivy Bridge از اين فناوري جديد استفاده خواهد كرد و اين موضوع درباره يك نسخه كم‌مصرف از پردازنده‌هاي Atom اينتل نيز صادق‌خواهد بود. اين روش مي‌تواند بازدهي مصرف برق پردازنده‌هاي Atom را به‌طور چشم‌گيري بهبود بخشد. البته ما نمي‌خواهيم وارد اين بحث شويم كه آيا فناوري جديد در نهايت مي‌تواند Atom را در حوزه مصرف برق واقعي وارد قلمروي ARM  ‌كند يا خير، اما ترديدي وجود ندارد كه به اين محدوده بسيار نزديك خواهد شد.